|
|
|
CAPÍTULO 12: HIDROLOGIA DE NEVE |
|
"There are certain plant species which habitually feed on ground water and others which do not. In arid regions, there is a real and conspicuous distinction between the two groups." "Existem certas espécies de plantas que habitualmente se alimentam de águas subterrâneas e outras que não.
Nas regiões áridas, existe uma distinção real e visível entre os dois grupos ".
|
|
This chapter is divided into five sections. Section 12.1 describes the processes leading to snow formation and accumulation; Section 12.2 describes the processes responsible for melting of the snowpack; Section 12.3 deals with snowmelt indexes and their use in snowmelt computations; Section 12.4 discusses the effect of snowpack condition on runoff; and Section 12.5 describes the synthesis of snowmelt hydrographs. See Section 3.2 for a description of snowpack measurements. Este capítulo está dividido em cinco seções. A Seção 12.1 descreve os processos que levam à formação e acumulação de neve; A seção 12.2 descreve os processos responsáveis pelo derretimento da neve; A Seção 12.3 trata dos índices de derretimento de neve e seu uso nos cálculos de derretimento de neve; A Seção 12.4 discute o efeito da condição de neve no escoamento; e a Seção 12.5 descreve a síntese de hidrogramas de derretimento de neve. Consulte a Seção 3.2 para obter uma descrição das medições de neve. |
12.1 FORMAÇÃO E ACUMULAÇÃO DE NEVE
|
|
Snow hydrology studies the properties of snow, its formation, distribution, and measurement, including snowmelt and snowmelt-generated runoff. In many areas of the United States and the world, snow is a major contributor to streamflow, especially in regions of high altitude and/or temperate climate. For these regions, a knowledge of snowfall and snowmelt is necessary for the assessment of the seasonal variability of streamflow. In turn, snowfall and snowmelt are governed by meteorological principles. The atmosphere is the source of moisture for snowfall, and it regulates a basin's energy exchange, which determines snowmelt.
A hidrologia da neve estuda as propriedades da neve, sua formação, distribuição e medição, incluindo derretimento da neve e escoamento gerado por derretimento da neve. Em muitas áreas dos Estados Unidos e do mundo, a neve é %G​​%@um dos principais contribuintes para o fluxo, especialmente em regiões de alta altitude e / ou clima temperado. Para essas regiões, é necessário um conhecimento de queda de neve e derretimento da neve para a avaliação da variabilidade sazonal do fluxo. Por sua vez, a queda de neve e o degelo são governados por princípios meteorológicos. A atmosfera é a fonte de umidade para a queda de neve e regula a troca de energia de uma bacia, que determina o derretimento da neve.
Principles of snow hydrology are useful in design and operation of engineering projects. Typical problems are the following:
Os princípios da hidrologia da neve são úteis no design e operação de projetos de engenharia. Problemas típicos são os seguintes:
- The evaluation of the amount of water stored in the snowpack and its relation to the hydrologic balance of a catchment.
A avaliação da quantidade de água armazenada no manto de neve e sua relação com o balanço hidrológico de uma bacia hidrográfica.
- The evaluation of snowmelt rates, including the physical causes for snowmelt.
A avaliação das taxas de degelo, incluindo as causas físicas do degelo.
- The evaluation of the effect of snowpack on runoff, both from snowmelt and rain on snow.
Avaliação do efeito do manto de neve no escoamento, tanto do derretimento quanto da chuva na neve.
For project design, fixed sequences of meteorologic and hydrologic conditions are selected based ori the overall functional requirements of the project. On the other hand, project operation requires evaluation of specific meteorologic and hydrologic conditions, and associated streamflow forecasts for both short- and long-term periods.
Para a concepção do projeto, sequências fixas de condições meteorológicas e hidrológicas são selecionadas com base nos requisitos funcionais gerais do projeto. Por outro lado, a operação do projeto requer avaliação de condições meteorológicas e hidrológicas específicas e previsões de fluxo de fluxo associadas para períodos de curto e longo prazo.
Snow Formation
Formação de neve
The major atmospheric and environmental factors responsible for snow formation are: (1) surface air temperature, (2) elevation, and (3) terrain features.
Os principais fatores atmosféricos e ambientais responsáveis %G​​%@pela formação de neve são: (1) temperatura do ar na superfície, (2) elevação e (3) características do terreno.
Temperature. Surface air temperature, measured at approximately 4-ft (1.2-m) depth, is considered to be a reliable indicator of the presence or absence of snow. A study of the effect of surface air temperature on snow formation was reported in Snow Hydrology, the U.S. Army Corps of Engineers Summary Report of Snow Investigations [10]. In this study, some 2400 occurrences of precipitation in Donner Summit, California (elevation 7200 ft), ranging from 29°F to 40°F (-2°C to 4°C) were analyzed to determine the effect of surface air temperature on the form of precipitation, either (a) rain, (b) snow, or (c) mixed rain and snow. The results, summarized in Table 12-1, show that precipitation occurs in the form of snow when the surface air temperature is approximately less than 35°F (1°C).
Temperatura. A temperatura do ar na superfície, medida a aproximadamente 1,2 m de profundidade, é considerada um indicador confiável da presença ou ausência de neve. Um estudo do efeito da temperatura do ar na superfície da formação de neve foi relatado em Snow Hydrology, o Relatório de Resumo do Corpo de Engenheiros do Exército dos EUA de Investigações na Neve [10]. Neste estudo, foram analisadas cerca de 2400 ocorrências de precipitação em Donner Summit, Califórnia (altitude 7200 pés), variando de 29 ° F a 40 ° F (-2 ° C a 4 ° C) para determinar o efeito da temperatura do ar na superfície. a forma de precipitação, (a) chuva, (b) neve ou (c) chuva e neve mistas. Os resultados, resumidos na Tabela 12-1, mostram que a precipitação ocorre na forma de neve quando a temperatura do ar na superfície é aproximadamente inferior a 35 ° F (1 ° C).
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Elevation. The same study concluded that elevation is an important variable in snow formation. Precipitation data indicated that snowstorms accounted for approximately 95 percent of all precipitation events at 7000 ft (2100 m), 50 percent at 4000 ft (1200 m), and 1 percent at 1000 ft (300 m). While these data were obtained in the central Sierra Nevada of California, at 39°N latitude, they are believed to be representative of regions along the windward side of major mountains ranges in the United States and Canada. A tendency for an increase in snowstorms with an increase in latitude was also documented.
Elevação. O mesmo estudo concluiu que a elevação é uma variável importante na formação de neve. Os dados de precipitação indicaram que as tempestades de neve foram responsáveis por aproximadamente 95% de todos os eventos de precipitação a 7000 pés (2100 m), 50% a 4000 pés (1200 m) e 1 por cento a 1000 pés (300 m). Embora esses dados tenham sido obtidos na região central de Sierra Nevada, na Califórnia, a 39 ° N de latitude, acredita-se que sejam representativos das regiões ao longo do lado de barlavento das principais cadeias de montanhas dos Estados Unidos e do Canadá. Também foi documentada uma tendência para um aumento de tempestades de neve com um aumento de latitude.
Terrain Features. In leveled (i.e., flat) terrain, the distribution of precipitation is a function solely of atmospheric variables. Conversely, in orographic regions, precipitation is also a function of the character of the terrain. For a satisfactory evaluation of precipitation in orographic regions, the relationship of terrain to meteorologic conditions must be examined.
Recursos do terreno. Em terreno nivelado (isto é, plano), a distribuição da precipitação é uma função exclusivamente de variáveis atmosféricas. Por outro lado, em regiões orográficas, a precipitação também é uma função do caráter do terreno. Para uma avaliação satisfatória da precipitação em regiões orográficas, a relação do terreno com as condições meteorológicas deve ser examinada.
The effects of terrain on precipitation are classified as either: (a) small scale or (b) large scale. Studies of small-scale orographic effects have shown that the water equivalent of the snowpack (Section 3.2) is a function of: (1) elevation, (2) slope, (3) exposure, and (4) southern aspect. The California data in Snow Hydrology supported the following conclusions regarding water equivalent:
Os efeitos do terreno na precipitação são classificados como: (a) em pequena escala ou (b) em grande escala. Estudos de efeitos orográficos de pequena escala mostraram que o equivalente em água do manto de neve (Seção 3.2) é uma função de: (1) elevação, (2) declive, (3) exposição e (4) aspecto sul. Os dados da Califórnia na Snow Hydrology apoiaram as seguintes conclusões sobre o equivalente à água:
An increase of 1.0-2.5 in. (2.5-6.3 cm) for each 100 ft (30 m) increase in elevation.
Um aumento de 1,0-2,5 pol. (2,5-6,3 cm) para cada aumento de 100 pés (30 m) na elevação.
A decrease of 0.2-0.5 in. (0.5-1.2 cm) for each 1 percent increase in slope.
Uma diminuição de 0,5-0,2 cm (0,2-0,5 pol.) Para cada aumento de 1% na inclinação.
A decrease of 0.5-0.75 in. 0.2-1 .8 cm) for each 10° increase in exposure sector. An exposure sector is the sector of a circle of 0.5-mi radius, centered at the snow course, within which there is no land higher than the points in the snow course.
Uma diminuição de 0,5-0,75 pol. 0,2-1,8 cm) para cada aumento de 10 ° no setor de exposição. Um setor de exposição é o setor de um círculo de 0,5 km de raio, centralizado no curso de neve, no qual não há terra mais alta que os pontos no curso de neve.
An increase of 0.25-1.0 in. (0.6-2.5 cm) for each 10° deviation from southern aspect.
Um aumento de 0,6-2,5 cm (0,25-1,0 pol.) Para cada desvio de 10 ° em relação ao aspecto sul.
Spreen [9], using data from western Colorado, correlated average winter precipitation to large scale orographic features. He used elevation, slope, exposure, and orientation as independent variables and concluded that together they account for a high percentage of the precipitation variability in that area. Although general qualitative estimates can be deduced from these studies, values for individual basins or regions are likely to vary widely.
Spreen [9], usando dados do oeste do Colorado, correlacionou a precipitação média no inverno com características orográficas em larga escala. Ele usou elevação, inclinação, exposição e orientação como variáveis %G​​%@independentes e concluiu que juntas elas representam uma alta porcentagem da variabilidade da precipitação naquela área. Embora estimativas qualitativas gerais possam ser deduzidas desses estudos, é provável que os valores para bacias ou regiões individuais variem amplamente.
Snow Accumulation
Acumulação de neve
Snow accumulation is a function of the following atmospheric and environmental conditions: (1) surface air temperature, (2) elevation, (3) slope and aspect of terrain, (4) wind, (5) energy and moisture transfer, and (6) vegetative cover.
O acúmulo de neve é uma função das seguintes condições atmosféricas e ambientais: (1) temperatura do ar da superfície, (2) elevação, (3) declive e aspecto do terreno, (4) vento, (5) transferência de energia e umidade e (6) ) cobertura vegetativa.
Temperature. The temperature at the time of snowfall controls the dryness of snow and, therefore, its susceptibility to erosion by wind. On mountain slopes, an increase in snowcover is usually associated with a temperature decrease with an increase in elevation. Wet snow falls where temperatures are close to the melting point, usually in the proximity of large bodies of water. Conversely, dry snow is typical of the continental interiors, where colder temperatures prevail.
Temperatura. A temperatura no momento da queda de neve controla a secura da neve e, portanto, sua suscetibilidade à erosão pelo vento. Nas encostas das montanhas, um aumento na cobertura de neve é geralmente associado a uma diminuição da temperatura com um aumento na elevação. A neve molhada cai onde as temperaturas estão próximas do ponto de fusão, geralmente na proximidade de grandes massas de água. Por outro lado, a neve seca é típica do interior continental, onde prevalecem temperaturas mais baixas.
Elevation. In mountainous regions, elevation is considered to be the most important factor affecting snowcover distribution. Often a linear relationship between snow accumulation and elevation can be found for specific sites and elevation ranges. Since snow accumulation is a function not only of elevation but also of slope, exposure, aspect, and so on, these linear relationships tend to reflect local conditions.
Elevação. Nas regiões montanhosas, a elevação é considerada o fator mais importante que afeta a distribuição da cobertura de neve. Muitas vezes, uma relação linear entre acúmulo e elevação de neve pode ser encontrada para locais e faixas de elevação específicos. Como o acúmulo de neve é uma função não apenas da elevação, mas também da inclinação, exposição, aspecto etc., essas relações lineares tendem a refletir as condições locais.
Slope. Orographic precipitation rate is largely a function of terrain slope. If the air is saturated, the rate at which precipitation is produced is proportional to the rate of ascent of the air mass. Rhea and Grant [8] analyzed Colorado winter precipitation data and concluded that the long-term average of orographic precipitation at a point was strongly correlated with the topographic slope computed over the first 20 km upwind of the point.
Inclinação. A taxa de precipitação orográfica é em grande parte uma função da inclinação do terreno. Se o ar estiver saturado, a taxa na qual a precipitação é produzida é proporcional à taxa de subida da massa de ar. Rhea e Grant [8] analisaram os dados de precipitação no inverno do Colorado e concluíram que a média de longo prazo da precipitação orográfica em um ponto estava fortemente correlacionada com a inclinação topográfica calculada nos primeiros 20 km a favor do ponto.
Aspect. The importance of aspect on snow accumulation is shown by the large differences between snowcover amounts found on windward and leeward slopes of coastal mountain ranges. The influence of aspect is related to the direction of snowfall- producing masses, the frequency of snowfall, and the energy exchange processes influencing snowmelt. However, the effect of aspect on snow accumulation tends to be much less than that of elevation [7].
Aspecto. A importância do aspecto no acúmulo de neve é %G​​%@demonstrada pelas grandes diferenças entre as quantidades de coberturas de neve encontradas nas encostas de barlavento e sotavento das cadeias montanhosas costeiras. A influência do aspecto está relacionada à direção das massas produtoras de neve, à frequência da queda de neve e aos processos de troca de energia que influenciam o derretimento da neve. No entanto, o efeito do aspecto no acúmulo de neve tende a ser muito menor que o da elevação [7].
Wind. Wind is responsible for the movement of snow particles, changing their shape and physical properties and depositing them into drifts or banks of greater density than the parent material. A loose snow cover, with particles 1 to 2 mm in diameter is readily entrained by fairly light winds of about 10 km/ h [4] . The formation of a glaze by the freezing of surface melt may inhibit transport by wind; however, very strong winds may move even large sheets of glazed snow. Erosion prevails at locations where the wind accelerates (at the crest of a ridge), and deposition occurs where the wind decelerates (along the edges of forests and cities). The rate of snow transport by wind is greatest over flat, extensive open areas and least in areas exhibiting great resistance to flow (forests and cities).
Vento. O vento é responsável pelo movimento das partículas de neve, alterando sua forma e propriedades físicas e depositando-as em desvios ou bancos de maior densidade que o material original. Uma cobertura de neve solta, com partículas de 1 a 2 mm de diâmetro, é facilmente arrastada por ventos relativamente fracos de cerca de 10 km / h [4]. A formação de um esmalte pelo congelamento do derretimento da superfície pode inibir o transporte pelo vento; no entanto, ventos muito fortes podem mover até grandes folhas de neve vidrada. A erosão prevalece em locais onde o vento acelera (na crista de uma cordilheira) e a deposição ocorre onde o vento desacelera (ao longo das margens das florestas e cidades). A taxa de transporte de neve pelo vento é maior em áreas planas e extensas e menor em áreas que exibem grande resistência ao fluxo (florestas e cidades).
Energy and Moisture Transfer. During the winter months, energy and moisture transfers to and from the snowcover are responsible for changes in its state. Radiation fluxes are primarily responsible for changes in depth and density of the snowpack. The underlying surface, the physical properties of the snowcover, vegetation, buildings, roads, and other cultural features affect the net radiation flux reaching the snow, changing its erodibility, mass and state. The net radiation is a function of the snowcover's albedo, the ratio of reflected to incident shortwave radiation. Typical values of albedo for different snowcover surfaces vary from 0.8 for exposed surfaces to 0.12 under extensive coniferous forest cover.
Transferência de energia e umidade. Durante os meses de inverno, as transferências de energia e umidade de e para a cobertura de neve são responsáveis por mudanças em seu estado. Os fluxos de radiação são os principais responsáveis elas alterações na profundidade e na densidade do manto de neve. A superfície subjacente, as propriedades físicas da cobertura de neve, vegetação, edifícios, estradas e outras características culturais afetam o fluxo de radiação líquido que atinge a neve, alterando sua erodibilidade, massa e estado. A radiação líquida é uma função do albedo da cobertura de neve, a razão entre a radiação refletida e a radiação de ondas curtas incidente. Os valores típicos de albedo para diferentes superfícies de cobertura de neve variam de 0,8 para superfícies expostas a 0,12 sob extensa cobertura florestal de coníferas.
Vegetative Cover. Vegetation influences the surface roughness and wind velocity, thereby affecting the erosional, transport, and depositional characteristics of the surface. When vegetation extends above the snowcover it affects the process of energy exchange and the amount of snow reaching the ground.
Cobertura Vegetativa. A vegetação influencia a rugosidade da superfície e a velocidade do vento, afetando assim as características erosivas, de transporte e deposicionais da superfície. Quando a vegetação se estende acima da cobertura de neve, afeta o processo de troca de energia e a quantidade de neve que chega ao solo.
A forest provides a large intercepting and radiating biomass above the snowcover surface. Studies have revealed that more snow is usually found on forest openings than within the forest stands. In addition to modifying wind velocity and providing additional interception, a forest acts to modify the energy exchange processes that affect the snowcover's erodibility, mass, and state.
Uma floresta fornece uma grande biomassa interceptadora e radiante acima da superfície da cobertura de neve. Estudos revelaram que geralmente é encontrada mais neve nas aberturas florestais do que nas áreas florestais. Além de modificar a velocidade do vento e fornecer interceptação adicional, uma floresta atua para modificar os processos de troca de energia que afetam a erodibilidade, a massa e o estado da cobertura de neve.
Distribution of Snowcover
Distribuição de Snowcover
The extent of snowcover is directly related to altitude, since temperatures near or below freezing affect both the frequency of snowfall and the probability of snowmelt. On a global basis, the duration of snowcover is longest near the poles and on high mountain ridges.
A extensão da cobertura de neve está diretamente relacionada à altitude, uma vez que as temperaturas próximas ou abaixo do congelamento afetam a frequência da queda de neve e a probabilidade de derreter a neve. Em uma base global, a duração da cobertura de neve é mais longa perto dos pólos e nas cordilheiras altas.
Snowcover may form and disappear several times within a season. At high latitudes, a long period of winter snowcover is virtually assured (exceeding 180 d in continental areas north of 60°N). At lower latitudes, snowcover may form briefly before melting. Due to the ephemeral nature of early and late seasonal snowstorms, it is often difficult to determine the length of the seasonal snowcover period.
A cobertura de neve pode se formar e desaparecer várias vezes em uma estação. Em altas latitudes, um longo período de cobertura de neve no inverno é praticamente garantido (superior a 180 d em áreas continentais ao norte de 60 ° N). Em latitudes mais baixas, a cobertura de neve pode se formar brevemente antes de derreter. Devido à natureza efêmera das tempestades de neve sazonais iniciais e tardias, muitas vezes é difícil determinar a duração do período de cobertura de neve sazonal.
Grasslands. Snowcover usually forms on the colder, continental grasslands of the Northern Hemisphere starting in November. In the southern Great Plains of North America, the snowcover becomes permanent in December or January. The characteristics of permanent snow cover are largely a function of air temperature. Seasonal snowcover periods vary from 120 to 160 d in the northern grasslands and 30 to 60 d in Oklahoma, to only a few days in Texas. The mean annual accumulated snowcover depth in grasslands is in the range of 20 to 50 cm, with a density of approximately 20 percent (200 kg/m3) [4].
Pastagens. A cobertura de neve geralmente se forma nas pastagens continentais mais frias do Hemisfério Norte a partir de novembro. No sul das Grandes Planícies da América do Norte, a cobertura de neve se torna permanente em dezembro ou janeiro. As características da cobertura permanente de neve são em grande parte uma função da temperatura do ar. Os períodos sazonais de cobertura de neve variam de 120 a 160 d nas pastagens do norte e 30 a 60 d em Oklahoma, e apenas alguns dias no Texas. A profundidade média anual da cobertura de neve acumulada nas pastagens está na faixa de 20 a 50 cm, com uma densidade de aproximadamente 20% (200 kg / m3) [4].
Mixed Forests. In the mixed forests of the Northern Hemisphere, snowcover usually forms in late November or December and recedes in two directions: from the south during February and from the north in late March or early April. Predictions of length of snowcover are unreliable because the cover does not remain on the ground for long periods. The average snowcover density is 20 percent, increasing progressively over the winter to 30 percent by late March.
Florestas Mistas. Nas florestas mistas do Hemisfério Norte, a cobertura de neve geralmente se forma no final de novembro ou dezembro e recua em duas direções: do sul durante fevereiro e do norte no final de março ou início de abril. As previsões do comprimento da cobertura de neve não são confiáveis, porque a cobertura não permanece no chão por longos períodos. A densidade média da cobertura de neve é de 20%, aumentando progressivamente no inverno para 30% no final de março.
Mountain Areas. Snow exists on most high mountain ridges every month of the year at elevations that vary with altitude and climate. The snowcover on rugged mountain terrain is highly variable due to its exposure to slides and wind action. Tundra conditions (i.e., those typical of forest-free arctic and subarctic regions) prevail at the higher elevations, with the snowcover undergoing severe erosion and wind packing resulting in the formation of slabs.
Áreas de montanha. A neve existe na maioria das cordilheiras altas todos os meses do ano, em elevações que variam com a altitude e o clima. A cobertura de neve em terrenos acidentados é altamente variável devido à sua exposição a escorregadores e ação do vento. As condições da tundra (isto é, as típicas das regiões ártica e subártica sem floresta) prevalecem nas elevações mais altas, com a cobertura de neve sofrendo erosão severa e formação de ventos, resultando na formação de lajes.
12.2 DERRETIMENTO DE PACOTES DE NEVE
|
|
Snowmelt is the product of several heat transfer processes acting on the snowpack. Moreover, the quantity of snowmelt is a function of the condition of the snowpack itself. Therefore, snowmelt determinations are quite complex, and certain simplifying assumptions are necessary for practical applications.
O degelo é o produto de vários processos de transferência de calor que atuam no manto de neve. Além disso, a quantidade de neve derretida é uma função da condição do próprio bloco de neve. Portanto, as determinações de derretimento da neve são bastante complexas e certas suposições simplificadoras são necessárias para aplicações práticas.
The heat-transfer processes acting on the snowpack vary with time and location. Solar radiation, for example, is relatively important in the central plains of the United States but not in the Pacific Northwest. Solar radiation is also more important during the spring than during the winter, while its role diminishes with an increase in latitude. No single method for computing snowmelt is applicable for all regions and seasons. A thorough understanding of the snowmelt process is necessary to select the best method for a given location and time of the year.
Os processos de transferência de calor que atuam na neve variam com o tempo e o local. A radiação solar, por exemplo, é relativamente importante nas planícies centrais dos Estados Unidos, mas não no noroeste do Pacífico. A radiação solar também é mais importante durante a primavera do que no inverno, enquanto seu papel diminui com o aumento da latitude. Nenhum método único para calcular o derretimento de neve é %G​​%@aplicável a todas as regiões e estações do ano. É necessário um entendimento completo do processo de derretimento da neve para selecionar o melhor método para um determinado local e época do ano.
Snowpack Energy Balance
Balanço de Energia Snowpack
The principal sources of heat energy involved in the melting of the snowpack are the following [12]:
As principais fontes de energia térmica envolvidas no derretimento da neve são as seguintes [12]:
- Net shortwave (i.e., solar) radiation, Hs,
Radiação líquida de ondas curtas (ou seja, solar), Hs,
- Net long-wave (i.e., terrestrial) radiation, Hl,
Radiação líquida de ondas longas (isto é, terrestre), Hl,
- Convective heat transfer from atmosphere to snowpack, Hc,
Transferência de calor por convecção da atmosfera para a neve, Hc,
- Heat transfer caused by condensation of water vapor onto snowpack, He,
Transferência de calor causada pela condensação do vapor de água na neve, He,
- Heat transfer from rainwater to snowpack, Hp, and
Transferência de calor da água da chuva para a neve, Hp e
- Heat conduction from underlying ground to snowpack, Hg.
Condução de calor do solo subjacente ao manto de neve, Hg.
Each of these items is a function of several factors. For instance, net shortwave radiation is the difference between incident and reflected solar radiation. Net longwave radiation loss is the difference between the radiation emitted by the snowpack and the portion of it reflected back by the atmosphere.
Cada um desses itens é uma função de vários fatores. Por exemplo, a radiação líquida de ondas curtas é a diferença entre incidente e radiação solar refletida. A perda líquida de radiação de ondas longas é a diferença entre a radiação emitida pelo manto de neve e a parte dele refletida pela atmosfera.
Radiation melt is the snowmelt due to the combined effect of shortwave and long-wave radiation, i.e., all-wave radiation. Convective melt is the snowmelt caused by convective heat transfer from atmosphere to snowpack. Condensation melt is the snowmelt caused by condensation of water vapor onto snowpack. Rain melt is the snowmelt caused by heat transfer from rainwater to snowpack. Ground melt is the snowmelt caused by heat conduction from the ground to snowpack.
O derretimento da radiação é o derretimento da neve devido ao efeito combinado da radiação de ondas curtas e ondas longas, isto é, radiação de todas as ondas. O derretimento por convecção é o derretimento da neve causado pela transferência de calor por convecção da atmosfera para a neve. O derretimento da condensação é o derretimento da neve causado pela condensação do vapor de água no manto de neve. O derretimento da chuva é o derretimento da neve causado pela transferência de calor da água da chuva para a neve. O derretimento do solo é o derretimento da neve causado pela condução de calor do solo para o manto de neve.
Snowmelt Heat Equivalent. Snowmelt heat equivalent is the total amount of heat energy involved in snowmelt. It is calculated as follows:
Equivalente ao calor de derretimento de neve. O equivalente ao calor derretido pela neve é a quantidade total de energia térmica envolvida no derretimento da neve. É calculado da seguinte forma:
| Hm = Hs + Hl + Hc + He + Hp + Hq | (12-1) |
in which Hm = snowmelt heat equivalent. In Eq. 12-1, Hs is positive, Hl is usually negative in the open (i.e., long-wave radiation loss), Hc is usually positive, He may be either positive or negative, and Hp and Hg are almost always positive.
em que Hm = equivalente ao calor derretido na neve. Na Eq. 12-1, Hs é positivo, Hl é geralmente negativo a céu aberto (ou seja, perda de radiação de ondas longas), Hc é geralmente positivo, ele pode ser positivo ou negativo e Hp e Hg são quase sempre positivos.
Thermal Quality of the Snowpack. The amount of snowmelt produced by a given amount of heat energy is a function of the thermal quality of the snowpack. Thermal quality is the ratio of the heat necessary to produce a given amount of water from the snowpack to the heat necessary to produce the same amount of water from pure ice, expressed as a percentage.
Qualidade térmica do Snowpack. A quantidade de derretimento da neve produzida por uma determinada quantidade de energia térmica é uma função da qualidade térmica do manto de neve. Qualidade térmica é a razão entre o calor necessário para produzir uma determinada quantidade de água da neve e o calor necessário para produzir a mesma quantidade de água a partir de gelo puro, expresso em porcentagem.
At temperatures below freezing the thermal quality of snow is greater than 100 percent. Conversely, the thermal quality of snow containing free water is less than 100 percent. A ripe snowpack is one that is at 0°C temperature and holds water only by adsorption and capillarity. The thermal quality of a ripe snowpack is approximately 97 percent [10].
Em temperaturas abaixo de zero, a qualidade térmica da neve é %G​​%@superior a 100%. Por outro lado, a qualidade térmica da neve contendo água livre é inferior a 100%. Um saco de neve maduro é aquele que está à temperatura de 0 ° C e retém a água apenas por adsorção e capilaridade. A qualidade térmica de uma neve madura é de aproximadamente 97% [10].
Rate of Snowmelt. For a snowpack with a thermal quality of 100 percent, the latent heat of fusion is 80 cal/g. At 0°C, the density of water is approximately equal to 1 g/cm3. Therefore, for a snowpack of a thermal quality of 100 percent, the heat required to produce 1 cm of melt is 80 cal/cm2, or 80 langleys. In general, for a snowpack with a thermal quality of B%, the heat required to produce 1 cm of melt is: 80(B/100) ly = (B/1.25) ly. Therefore, the snowmelt rate can be calculated as follows:
Taxa de degelo. Para um pacote de neve com uma qualidade térmica de 100%, o calor latente da fusão é de 80 cal / g. A 0 ° C, a densidade da água é aproximadamente igual a 1 g / cm3. Portanto, para um bloco de neve com uma qualidade térmica de 100%, o calor necessário para produzir 1 cm de fundição é 80 cal / cm2, ou 80 langleys. Em geral, para uma bolsa de neve com uma qualidade térmica de B%, o calor necessário para produzir 1 cm de fundição é: 80 (B / 100) ly = (B / 1,25) ly. Portanto, a taxa de derretimento da neve pode ser calculada da seguinte maneira:
|
1.25 Hm M = __________ B | (12-2) |
in which M = snowmelt rate in centimeters per day, Hm = snowmelt heat equivalent in langleys per day (ly/d), and B = thermal quality of the snowpack in percent. Similarly, the snowmelt rate associated with each of the heat energies of Eq. 12-1 can be calculated. For instance, Ms = 1.25(Hs/B), in which Hs is the net shortwave radiation and Ms is the snowmelt rate due to shortwave radiation.
em que M = taxa de derretimento da neve em centímetros por dia, Hm = calor do derretimento da neve equivalente em langleys por dia (ly / d) e B = qualidade térmica do manto de neve em porcentagem. Da mesma forma, a taxa de derretimento da neve associada a cada uma das energias térmicas da Eq. 12-1 pode ser calculado. Por exemplo, Ms = 1,25 (Hs / B), em que Hs é a radiação líquida de ondas curtas e Ms é a taxa de derretimento da neve devido à radiação de ondas curtas.
Solar Radiation
Radiação solar
Only an infinitesimally small portion of all the radiant energy emitted by the sun reaches the earth, yet this small portion is the ultimate source of all the Earth's energy. The amount of solar energy intercepted by the Earth varies with the solar output and with the seasons. These variations, however, are quite small.
Apenas uma porção infinitesimalmente pequena de toda a energia radiante emitida pelo sol atinge a terra, mas essa pequena porção é a fonte última de toda a energia da Terra. A quantidade de energia solar interceptada pela Terra varia com a produção solar e com as estações do ano. Essas variações, no entanto, são bem pequenas.
The solar constant is the intensity of solar radiation received on a unit area of a plane normal to the incident radiation at the outer limit of the earth's atmosphere, with the earth at its mean distance from the sun. The value of the solar constant is generally taken to be 1.94 ly/min, although variations in the range of 1.90-2.00 ly/min have been reported [10].
A constante solar é a intensidade da radiação solar recebida em uma área unitária de um plano normal à radiação incidente no limite externo da atmosfera da Terra, com a Terra na sua distância média do sol. O valor da constante solar é geralmente considerado de 1,94 ly / min, embora tenham sido relatadas variações no intervalo de 1,90-2,00 ly / min [10].
The amount of solar radiation incident on a horizontal surface is referred to as insolation. Daily insolation amounts received at the outer limit of the earth's atmosphere can be calculated from the solar constant for any given latitude and time of the year, as shown in Fig. 12-1. These insolation amounts are subject to reflection, scattering, and absorption by the atmosphere. In the absence of clouds, and barring unusual atmospheric conditions, the amounts reflected, scattered or absorbed are quite constant and relatively small. Variations in these amounts are caused primarily by variations in the content of water vapor and dust in the atmosphere.
A quantidade de radiação solar incidente em uma superfície horizontal é chamada de insolação. As quantidades diárias de insolação recebidas no limite externo da atmosfera terrestre podem ser calculadas a partir da constante solar para qualquer latitude e época do ano, conforme mostrado na Fig. 12-1. Essas quantidades de insolação estão sujeitas a reflexão, dispersão e absorção pela atmosfera. Na ausência de nuvens e com exceção de condições atmosféricas incomuns, as quantidades refletidas, dispersas ou absorvidas são bastante constantes e relativamente pequenas. Variações nessas quantidades são causadas principalmente por variações no conteúdo de vapor de água e poeira na atmosfera.
Figure 12-1 Insolation at the outer limit of the earth's atmosphere as a function of latitude |
The amount of insolation reaching the earth's surface is a function of the atmospheric transmission coefficient:
A quantidade de insolação que atinge a superfície da Terra é uma função do coeficiente de transmissão atmosférica:
|
Ic Ca = _____ Io | (12-3) |
in which Ca = atmospheric transmission coefficient; Ic = insolation reaching the earth's surface under clear sky; and Io = insolation reaching the outer limit of the earth's atmosphere.
em que Ca = coeficiente de transmissão atmosférica; Ic = insolação atingindo a superfície da terra sob céu claro; e Io = insolação atingindo o limite externo da atmosfera da Terra.
Atmospheric transmission coefficients include direct solar radiation and diffuse sky radiation, i.e., the scattered radiation that manages to reach the earth's surface. Therefore, an increase in diffuse sky radiation causes an increase in atmospheric transmission coefficients. The albedo of the earth's surface has a direct bearing on diffuse sky radiation. Other things being equal, the greater the albedo, the greater the diffuse sky radiation. The relatively high albedo of snow surfaces results in increased diffuse sky radiation. During the winter, the higher albedos associated with new-fallen snow (A = 0.8) cause a substantial increase in diffuse sky radiation. During the summer, the increase is attenuated by the lower albedos of the older snow (A = 0.4).
Os coeficientes de transmissão atmosférica incluem radiação solar direta e radiação difusa do céu, isto é, a radiação dispersa que consegue alcançar a superfície da Terra. Portanto, um aumento na radiação difusa do céu causa um aumento nos coeficientes de transmissão atmosférica. O albedo da superfície da Terra afeta diretamente a radiação difusa do céu. Sendo outras coisas iguais, quanto maior o albedo, maior a radiação difusa do céu. O albedo relativamente alto das superfícies de neve resulta em aumento da radiação difusa do céu. Durante o inverno, os albedos mais altos associados à neve recém-caída (A = 0,8) causam um aumento substancial na radiação difusa do céu. Durante o verão, o aumento é atenuado pelos albedos inferiores da neve mais antiga (A = 0,4).
Effect of Clouds. By far the largest variations in the portion of solar radiation transmitted by the atmosphere are caused by clouds. The transmitted radiation varies with type, height, density, and cloud cover. The cloud cover coefficient is defined as follows:
Efeito das nuvens. De longe, as maiores variações na porção de radiação solar transmitida pela atmosfera são causadas por nuvens. A radiação transmitida varia de acordo com o tipo, altura, densidade e cobertura de nuvens. O coeficiente de cobertura de nuvens é definido da seguinte maneira:
|
I Cc = _____ Ic | (12-4) |
in which Cc = cloud cover coefficient; I = insolation reaching the earth's surface under cloud cover; and Ic = insolation reaching the earth's surface under clear sky. The cloud cover coefficient can be related to cloud height and amount of cloud cover as follows [5]:
em que Cc = coeficiente de cobertura de nuvens; I = insolação atingindo a superfície da Terra sob cobertura de nuvens; e Ic = insolação atingindo a superfície da terra sob céu claro. O coeficiente de cobertura de nuvens pode estar relacionado à altura e quantidade de nuvens, da seguinte forma [5]:
| Cc = 1 - [ 0.82 - (0.024) Z ] N | (12-5) |
in which Z = cloud height in thousands of feet; and N = amount of cloud cover, the ratio of area of cloud cover to area of sky.
em que Z = altura da nuvem em milhares de pés; e N = quantidade de cobertura de nuvens, a razão entre a área de cobertura de nuvens e a área do céu.
The effect of the reflectivity of the earth's surface on the amount of diffuse sky radiation is more pronounced for a cloudy sky than for a clear sky. Not only is the ratio of diffuse sky radiation to direct solar radiation increased by the presence of clouds, but also the diffuse sky radiation reflected by the snow surface is strongly rereflected by the clouds. Thus, for a given cloud height and amount of cloud cover, the cloud cover coefficient of snow-covered areas is greater than that of snow-free areas.
O efeito da refletividade da superfície da Terra na quantidade de radiação difusa do céu é mais pronunciado para um céu nublado do que para um céu claro. Não apenas a proporção de radiação difusa do céu em relação à radiação solar direta é aumentada pela presença de nuvens, mas também a radiação difusa do céu refletida pela superfície da neve é %G​​%@fortemente refletida pelas nuvens. Assim, para uma determinada altura e quantidade de cobertura de nuvens, o coeficiente de cobertura de nuvens das áreas cobertas de neve é %G​​%@maior que o das áreas livres de neve.
Effect of Slope. In the Northern Hemisphere, the radiation incident on south-facing slopes exceeds that incident on north-facing slopes. During the spring the slope effect is slight, but during the winter it is more pronounced. At any given instant, the radiation on a sloping surface (relative to the radiation on a horizontal surface) may be determined from the geometry of the individual situation (the slope and its aspect, and the solar altitude and azimuth) [10].
Efeito da inclinação. No Hemisfério Norte, o incidente de radiação nas encostas do sul excede o incidente nas encostas do norte. Durante a primavera, o efeito da inclinação é leve, mas durante o inverno é mais pronunciado. A qualquer momento, a radiação em uma superfície inclinada (relativa à radiação em uma superfície horizontal) pode ser determinada a partir da geometria da situação individual (a inclinação e seu aspecto, a altitude solar e o azimute) [10].
Effect of Forest Cover. The effect of forest cover on the amount of insolation reaching the ground is a function of density, type, and condition of the forest. To evaluate the effect of forest cover, a forest transmission coefficient is defined as follows:
Efeito da cobertura florestal. O efeito da cobertura florestal na quantidade de insolação que atinge o solo é uma função da densidade, tipo e condição da floresta. Para avaliar o efeito da cobertura florestal, um coeficiente de transmissão florestal é definido da seguinte forma:
|
If Cf = _____ Ic | (12-6) |
in which Cf = forest transmission coefficient; If = insolation reaching the earth's surface under forest cover; and Ic = insolation reaching the earth's surface under clear sky.
em que Cf = coeficiente de transmissão florestal; If = insolação atingindo a superfície da terra sob cobertura florestal; e Ic = insolação atingindo a superfície da terra sob céu claro.
For deciduous forests, the insolation amount is affected by the large seasonal variability in forest transmission coefficients. However, for coniferous forests, the variability is quite small throughout the year, and therefore average values are appropriate. For coniferous forests, transmission coefficients are inversely related to the density of forest canopy, i.e. the ratio of area covered by forest canopy to total area.
Para florestas decíduas, a quantidade de insolação é afetada pela grande variabilidade sazonal nos coeficientes de transmissão florestal. No entanto, para florestas de coníferas, a variabilidade é bastante pequena ao longo do ano e, portanto, os valores médios são adequados. Para florestas de coníferas, os coeficientes de transmissão estão inversamente relacionados à densidade do dossel da floresta, ou seja, a proporção da área coberta pelo dossel da floresta em relação à área total.
Measurement of Insolation. Insolation is measured with a pyranometer, an instrument consisting of a vacuum bulb, in the center of which is a disk having a white center and concentric black and white bands. An electromagnetic force is produced, which is proportional to the temperature difference between the rings and hence to the radiation incident upon them. The electromagnetic force is recorded with a potentiometer calibrated to measure radiation intensity. In the United States, insolation is measured in selected first-order stations operated by the National Weather Service. Insolation data may be available through the National Climatic Data Center, Asheville, North Carolina.
Medição de Insolação. A insolação é medida com um piranômetro, um instrumento constituído por uma lâmpada de vácuo, cujo centro é um disco com um centro branco e faixas pretas e brancas concêntricas. Uma força eletromagnética é produzida, a qual é proporcional à diferença de temperatura entre os anéis e, portanto, à radiação incidente sobre eles. A força eletromagnética é registrada com um potenciômetro calibrado para medir a intensidade da radiação. Nos Estados Unidos, a insolação é medida em estações selecionadas de primeira ordem operadas pelo Serviço Nacional de Meteorologia. Os dados de insolação podem estar disponíveis no National Climatic Data Center, Asheville, Carolina do Norte.
Albedo of a Snowpack. The albedo of a snowpack may vary widely, ranging from 0.4 for a ripe, granular snowpack, to 0.8 or more for new-fallen snow. The albedo is primarily a function of the condition of the surface layers of the snowpack. It is measured by means of two pyranometers, one measuring the insolation received and the other measuring the shortwave radiation reflected by the snowpack.
Albedo de um Snowpack. O albedo de um bloco de neve pode variar amplamente, variando de 0,4 para um bloco de neve granulado maduro a 0,8 ou mais para neve recém-caída. O albedo é principalmente uma função da condição das camadas superficiais do manto de neve. É medido por meio de dois piranômetros, um medindo a insolação recebida e outro medindo a radiação de ondas curtas refletida pela neve.
The variation of albedo with temperature index (summation of daily maximum temperatures since last snowfall) is shown in Fig. 12-2. Also, there is a tendency for a decrease in albedo from the accumulation season (new snow) to the melt season (older snow). Figure 12-3 shows the seasonal reduction in albedo.
A variação do albedo com o índice de temperatura (soma das temperaturas máximas diárias desde a última queda de neve) é mostrada na Fig. 12-2. Além disso, há uma tendência para uma diminuição no albedo da estação de acumulação (neve nova) para a estação de derretimento (neve mais velha). A Figura 12-3 mostra a redução sazonal no albedo.
Figure 12-2 Variation of albedo with temperature index [10]. |
Figure 12-3 Seasonal reduction in albedo from accumulation to melt seasons [10]. |
Shortwave Radiation Melt. Following Eq. 12-2, the shortwave radiation melt is calculated as
Derretimento de radiação de ondas curtas. Após a Eq. 12-2, o derretimento da radiação de ondas curtas é calculado como
|
1.25 Hs Ms = __________ B | (12-7) |
in which Ms = shortwave radiation melt rate in centimeters per day; Hs = net shortwave radiation in langleys per day; and B = thermal quality of the snowpack in percent. The net shortwave radiation is equal to:
em que Ms = radiação de ondas curtas derrete em centímetros por dia; Hs = radiação líquida de ondas curtas em langleys por dia; e B = qualidade térmica da neve em porcentagem. A radiação líquida de ondas curtas é igual a:
| Hs = I (1 - A) | (12-8) |
in which I = insolation reaching the earth's surface, in langleys per day, after appropriate correction for cloud cover, slope, and forest cover; and A = albedo.
em que I = insolação que atinge a superfície da Terra, em langleys por dia, após correção apropriada para cobertura de nuvens, declive e cobertura florestal; e A = albedo.
Snowmelt Computations
Computações de derretimento de neve
Snowmelt computations are accomplished by disaggregating the snowmelt process into the following melt components: (1) all-wave radiation melt, (2) convection melt, (3) condensation melt, (4) rain melt, and (5) ground melt.
Os cálculos de derretimento de neve são realizados desagregando o processo de derretimento de neve nos seguintes componentes de derretimento: (1) derretimento de radiação em todas as ondas, (2) derretimento por convecção, (3) derretimento de condensação, (4) derretimento de chuva e (5) derretimento de solo.
All-wave Radiation Melt. The effects of shortwave and long-wave radiation are usually combined into an all-wave radiation melt. During clear weather, the important variables in radiation melt are: (1) insolation, (2) albedo, and (3) air temperature. The humidity of the air also affects the radiation melt; however, its effect is relatively minor compared to the other three variables. Figure 12-4 illustrates the daily radiation melt (inches per day) for the central Sierra of California as a function of albedo and air temperature, for (a) spring conditions, with insolation of 800 Iy/ d, and (b) winter conditions, with insolation of 400 ly/ d. In Fig. 12-4(b), negative melts are shown as dashed lines.
Derretimento de radiação em todas as ondas. Os efeitos da radiação de ondas curtas e ondas longas são geralmente combinados em um derretimento de radiação em todas as ondas. Durante o tempo claro, as variáveis %G​​%@importantes no derretimento da radiação são: (1) insolação, (2) albedo e (3) temperatura do ar. A umidade do ar também afeta o derretimento da radiação; no entanto, seu efeito é relativamente menor comparado às outras três variáveis. A Figura 12-4 ilustra o derretimento diário da radiação (polegadas por dia) para a região central da Serra da Califórnia em função do albedo e da temperatura do ar, para (a) condições de primavera, com insolação de 800 Iy / d e (b) condições de inverno , com insolação de 400 ly / d. Na Fig. 12-4 (b), derretimentos negativos são mostrados como linhas tracejadas.
Figure 12-4 Variation of radiation melt with albedo and air temperature: (a) spring; (b) winter [10]. |
Figure 12-5 illustrates the effect of clouds on daily radiation melt during: (a) spring (May 20), and (b) winter (February 15). It should be noted that the effect of cloud height and cloud cover on radiation melt is less during the winter than during the spring. Also, notice the trend of the function representing radiation melt versus cloud cover varying from winter to spring. During the spring, they are inversely related, whereas during the winter they are directly related. The winter reversal is largely due to the increased role of long-wave radiation during this time of the year.
A Figura 12-5 ilustra o efeito das nuvens no derretimento diário da radiação durante: (a) primavera (20 de maio) e (b) inverno (15 de fevereiro). Deve-se notar que o efeito da altura e cobertura das nuvens sobre a radiação derretida é menor durante o inverno do que durante a primavera. Observe também a tendência da função que representa o derretimento da radiação versus a cobertura de nuvens, variando do inverno à primavera. Durante a primavera, eles são inversamente relacionados, enquanto no inverno eles são diretamente relacionados. A reversão do inverno se deve em grande parte ao aumento do papel da radiação de ondas longas durante esta época do ano.
Figure 12-5 Variation of radiation melt with cloud height and cloud cover: (a) spring; (b) winter [10]. |
The forest canopy exerts a large influence on the combined radiation exchange between the snowpack and its environment. However, its effect differs from that of clouds, particularly with respect to shortwave radiation. While both clouds and trees restrict the transmission of insolation, clouds are highly reflective, whereas the forest canopy absorbs most of the insolation. This causes the forest canopy to warm up, releasing to the snowpack a portion of the incident shortwave radiation energy. Figure 12-6 illustrates the effect of forest canopy cover on daily radiation melt during (a) spring and (b) winter. The relations shown in this figure represent typical seasonal radiation snowmelt conditions in the middle latitudes under a coniferous forest cover. During the spring the maximum radiation melt occurs in the open (for zero percent canopy cover), while in the winter the maximum radiation melt occurs with 100 percent canopy cover.
O dossel da floresta exerce uma grande influência na troca combinada de radiação entre a neve e seu ambiente. No entanto, seu efeito difere do das nuvens, principalmente no que diz respeito à radiação de ondas curtas. Enquanto nuvens e árvores restringem a transmissão da insolação, as nuvens são altamente refletivas, enquanto o dossel da floresta absorve a maior parte da insolação. Isso faz com que o dossel da floresta se aqueça, liberando para a neve uma parte da energia de radiação de ondas curtas incidente. A Figura 12-6 ilustra o efeito da cobertura do dossel da floresta no derretimento diário da radiação durante (a) primavera e (b) inverno. As relações mostradas nesta figura representam condições típicas de derretimento da neve por radiação sazonal nas latitudes médias, sob uma cobertura florestal de coníferas. Durante a primavera, o máximo de radiação derretida ocorre ao ar livre (para cobertura de cobertura de zero por cento), enquanto no inverno a radiação máxima derrete ocorre com 100% de cobertura de cobertura.
Figure 12-6 Variation of radiation melt with forest canopy cover: (a) spring; (b) winter [10]. |
Convection Melt. Unlike radiative heat transfer, convective heat transfer from atmosphere to snowpack cannot be measured directly. An empirical expression for convection melt rate is
Derretimento por convecção. Diferentemente da transferência de calor por radiação, a transferência de calor por convecção da atmosfera para a neve não pode ser medida diretamente. Uma expressão empírica para a taxa de fusão por convecção é
| Mc = kc vb (Ta - Ts) | (12-9) |
in which Mc = convection melt rate, Ta = mean air temperature, Ts = snow surface temperature, vb = wind speed, and kc = convective melt coefficient. With temperatures in degrees Celsius, wind speed at 15 m above ground level in kilometers per hour, and Mc in centimeters per day, the value of kc is equal to 0.01137 [1].
em que Mc = taxa de fusão por convecção, Ta = temperatura média do ar, Ts = temperatura da superfície da neve, vb = velocidade do vento e kc = coeficiente de fusão convectivo. Com temperaturas em graus Celsius, velocidade do vento a 15 m acima do nível do solo em quilômetros por hora e Mc em centímetros por dia, o valor de kc é igual a 0,01137 [1].
Condensation Melt. The rate of condensation of water vapor onto the snow or ice surface may be important, particularly under conditions of rapid melt. At 0°C, the latent heat of vaporization (or condensation) is 597.3 cal/g. Compared with the latent heat of fusion (80 cal/g), this means that the volume of water available for runoff is approximately 7.5 times the volume of water actually condensed.
Derretimento da condensação. A taxa de condensação do vapor de água na superfície da neve ou do gelo pode ser importante, principalmente sob condições de derretimento rápido. A 0 ° C, o calor latente de vaporização (ou condensação) é de 597,3 cal / g. Comparado com o calor latente de fusão (80 cal / g), isso significa que o volume de água disponível para o escoamento é aproximadamente 7,5 vezes o volume de água realmente condensada.
The amount of condensate can be related to vapor pressure and wind speed in the following way:
A quantidade de condensado pode estar relacionada à pressão do vapor e à velocidade do vento da seguinte maneira:
| qe = ke vb (ea - es ) | (12-10) |
in which qe = amount of condensate, ea = vapor pressure of the air, es = vapor pressure of the snow surface, vb = wind speed, and ke = a coefficient.
em que qe = quantidade de condensado, ea = pressão de vapor do ar, es = pressão de vapor da superfície da neve, vb = velocidade do vento e ke = um coeficiente.
For every unit of water vapor condensed, the additional heat of vaporization released is capable of melting 7.5 times this amount of snow. Therefore, the condensation melt equation becomes:
Para cada unidade de vapor de água condensada, o calor adicional da vaporização liberada é capaz de derreter 7,5 vezes essa quantidade de neve. Portanto, a equação de fusão por condensação se torna:
| Me = 8.5 ke vb (ea - es) | (12-11) |
in which Me = condensation melt, which includes melt plus condensate.
em que Me = condensação derrete, o que inclui derreter mais condensado.
Rain Melt. When rain falls on a snowpack, a certain amount of heat is transferred to the snow. For snowpacks at 0°C, this heat transfer produces snowmelt, whereas for colder snowpacks it causes a rise in snow temperature. The amount of heat released is directly proportional to the quantity of rainwater and to its temperature excess above that of the snowpack. Considering a melting snowpack, 1 cal of heat is available for every gram of rainwater and for every degree in excess of 0°C. This leads to
Derretimento de chuva. Quando a chuva cai sobre um manto de neve, uma certa quantidade de calor é transferida para a neve. Para pacotes de neve a 0 ° C, essa transferência de calor produz derretimento de neve, enquanto para pacotes de neve mais frios causa um aumento na temperatura da neve. A quantidade de calor liberado é diretamente proporcional à quantidade de água da chuva e ao excesso de temperatura acima da do pacote de neve. Considerando uma camada de neve derretida, 1 cal de calor está disponível para cada grama de água da chuva e para todos os graus acima de 0 ° C. Isto leva a
| Hp = ( Tr - Ts ) Pr | (12-12) |
in which Hp = heat released by rainwater in langleys, Tr = rainwater temperature in degrees Celsius, Ts = snowpack temperature in degrees Celsius, and Pr = rainwater depth in centimeters. Therefore. following Eq. 12-7. the rain melt is:
em que Hp = calor liberado pela água da chuva em langleys, Tr = temperatura da água da chuva em graus Celsius, Ts = temperatura da neve em graus Celsius e Pr = profundidade da água da chuva em centímetros. Portanto. seguindo a Eq. 12-7. a chuva derreter é:
|
1.25 ( Tr - Ts )Pr Mp = _________________ B | (12-13) |
in which Mp = rain melt in centimeters, and B = thermal quality of the snowpack in percent. To illustrate, 1 cm of water at 5°C produces 0.0625 cm of rain melt on a snowpack of 100 percent thermal quality (Ts = 0°C).
em que Mp = chuva derrete em centímetros e B = qualidade térmica da neve em porcentagem. Para ilustrar, 1 cm de água a 5 ° C produz 0,0625 cm de chuva derretida em um bloco de neve com 100% de qualidade térmica (Ts = 0 ° C).
Ground Melt. The conduction of heat from the underlying ground becomes important in snowmelt computations when the melt season as a whole is considered. This source of heat can cause melting during the winter and early spring when melt at the snow surface may be nonexistent. Ground melt is capable of priming the underlying soil prior to the melt season and may also help to ripen the snowpack, readying it for melt.
Derretimento à terra. A condução de calor do solo subjacente se torna importante nos cálculos de derretimento de neve quando a estação de derretimento como um todo é considerada. Essa fonte de calor pode causar o derretimento durante o inverno e o início da primavera, quando o derretimento na superfície da neve pode ser inexistente. O derretimento do solo é capaz de preparar o solo subjacente antes da estação de derretimento e também pode ajudar a amadurecer o manto de neve, preparando-o para derreter.
Measurements in the central Sierra of California indicate that ground melt rates vary throughout the melt season, with a tendency to increase as the season progresses [10]. The total ground melt during the month of January was measured as 0.28 cm; during May, 2.44 cm. The seasonal ground melt (for a total of 160 d) was measured at 8.28 cm, which translates into an average ground melt rate of 0.05 cm/d. These results, while not universally applicable, are generally indicative of the magnitude and seasonal variation of ground melt.
As medições na região central da Serra da Califórnia indicam que as taxas de fusão do solo variam ao longo da estação de fusão, com tendência a aumentar à medida que a estação avança [10]. O derretimento total do solo durante o mês de janeiro foi medido em 0,28 cm; durante maio, 2,44 cm. O derretimento sazonal do solo (para um total de 160 d) foi medido em 8,28 cm, o que se traduz em uma taxa média de derretimento do solo de 0,05 cm / d. Esses resultados, embora não sejam universalmente aplicáveis, geralmente são indicativos da magnitude e variação sazonal do derretimento do solo.
Total Melt. The various melt components-radiation, convection, condensation, rain and ground melts-can be summed up to obtain the variation of total melt with time of the year, as shown in Fig. 12-7 for the California data included in Snow Hydrology. The following conclusions can be drawn from Fig. 12-7:
Derretimento total. Os vários componentes do derretimento - radiação, convecção, condensação, chuva e derretimento do solo - podem ser resumidos para obter a variação do derretimento total com a época do ano, conforme mostrado na Fig. 12-7 para os dados da Califórnia incluídos no Snow Hydrology. As seguintes conclusões podem ser tiradas da Fig. 12-7:
- The radiation melt (Mr) is negative during the winter and increasingly positive during the spring.
O derretimento da radiação (Mr) é negativo durante o inverno e cada vez mais positivo durante a primavera.
- The sum of convection and condensation melts (Mce) is very close to zero during the winter and increasingly positive during the spring.
A soma da convecção e da condensação derrete (Mce) é muito próxima de zero durante o inverno e cada vez mais positiva durante a primavera.
- The sum of ground melt (Mg) and rain melt (Mp) is very close to zero during both winter and spring.
A soma do derretimento do solo (Mg) e do derretimento da chuva (Mp) é muito próxima de zero durante o inverno e a primavera.
- The total melt (Mr + Mce + Mg + Mp) is close to zero during the winter and increasingly positive during the spring.
O fundido total (Mr + Mce + Mg + Mp) é próximo de zero durante o inverno e cada vez mais positivo durante a primavera.
Figure 12-7 Variation of melt components amd total melt with time of the year [10]. |
12.3 ÍNDICES DE DERRETIMENTO DE NEVE
|
|
In hydrologic practice, an index is a readily measured meteorologic or hydrologic varariable that is related to a physical process in need of monitoring and whose variability can be used as a measure of the variability of the physical process. The reliability of an index depends upon: (1) its ability to depict the variability of the physical processes, (2) its spatial and temporal variability, (3) its random variability, and (4) the quality and representativeness of its measurements.
Na prática hidrológica, um índice é uma variável meteorológica ou hidrológica prontamente medida que está relacionada a um processo físico que necessita de monitoramento e cuja variabilidade pode ser usada como uma medida da variabilidade do processo físico. A confiabilidade de um índice depende de: (1) sua capacidade de descrever a variabilidade dos processos físicos, (2) sua variabilidade espacial e temporal, (3) sua variabilidade aleatória e (4) a qualidade e representatividade de suas medidas.
Temperature indexes have been widely used to estimate snowmelt runoff. Temperature was used because it was generally regarded as the best index of the heat transfer processes associated with snowmelt and because it was-and in many cases will continue to be-the only reliable and regularly available meteorological data. Substantial improvements in the understanding of snowmelt processes have led to the use of alternative snowmelt indexes.
Os índices de temperatura têm sido amplamente utilizados para estimar o escoamento do derretimento da neve. A temperatura foi usada porque geralmente era considerado o melhor índice dos processos de transferência de calor associados ao derretimento da neve e porque era - e em muitos casos continuará sendo - os únicos dados meteorológicos confiáveis %G​​%@e regularmente disponíveis. Melhorias substanciais no entendimento dos processos de derretimento de neve levaram ao uso de índices alternativos de derretimento de neve.
For instance, studies have shown that all-wave radiation is the controlling factor for snowmelt runoff from an open site. When all-wave radiation data is not available, estimates of shortwave and long-wave radiation can be summed up to obtain an estimate of all-wave radiation. Duration-of-sunshine data can be used as an index of shortwave radiation, with the appropriate albedo estimates to determine the net shortwave radiation. Air temperature data can be used as an index of long-wave radiation exchange. However, air temperature alone is generally a poor index of snowmelt runoff from an open site.
Por exemplo, estudos mostraram que a radiação de todas as ondas é o fator de controle do escoamento do derretimento de neve em um local aberto. Quando os dados de radiação de todas as ondas não estão disponíveis, as estimativas de radiação de ondas curtas e longas podem ser resumidas para obter uma estimativa da radiação de todas as ondas. Os dados da duração da luz do sol podem ser usados %G​​%@como um índice de radiação de ondas curtas, com as estimativas de albedo apropriadas para determinar a radiação líquida de ondas curtas. Os dados de temperatura do ar podem ser usados %G​​%@como um índice de troca de radiação de ondas longas. No entanto, a temperatura do ar por si só é geralmente um índice pobre de escoamento de neve derretida de um local aberto.
For forested areas, convection and condensation melts are by far the most important components in snowmelt runoff, largely because of the relation to the longwave radiation exchange in the forest environment. The usual convection parameter is the product of daily maximum temperature and 12-h diurnal wind travel. The usual condensation parameter is the product of vapor pressure and 12-h diurnal wind travel. Therefore, accurate determinations of wind and vapor pressure are necessary for the evaluation of convection and condensation melt.
Para áreas florestais, os derretimentos por convecção e condensação são, de longe, os componentes mais importantes no escoamento do derretimento da neve, principalmente devido à relação com a troca de radiação de ondas longas no ambiente florestal. O parâmetro de convecção usual é o produto da temperatura máxima diária e do vento diurno de 12 horas. O parâmetro de condensação usual é o produto da pressão de vapor e do vento diurno de 12 horas. Portanto, são necessárias determinações precisas da pressão do vento e do vapor para a avaliação da fusão por convecção e condensação.
In the absence of wind and vapor pressure data, maximum daily air temperature can be used as an index to provide a fair estimate of daily melt for forested areas. Likewise, for heavily forested areas, either maximum daily or mean daily air temperature combined with vapor pressure are about equally effective as indexes of daily melt.
Na ausência de dados de pressão de vento e vapor, a temperatura máxima diária do ar pode ser usada como um índice para fornecer uma estimativa justa do derretimento diário para áreas florestais. Da mesma forma, para áreas densamente arborizadas, a temperatura máxima diária ou média diária do ar combinada com a pressão do vapor são igualmente eficazes como índices de derretimento diário.
General Equation for Snowmelt Runoff in Terms of Indexes
Equação geral para escoamento de derretimento de neve em termos de índices
The general equation for snowmelt runoff in terms of indexes is
A equação geral para o escoamento do derretimento da neve em termos de índices é
|
7
M = a + Σ bi Xi i = 1 | (12-14) |
in which M = snowmelt runoff in centimeters per day (or inches per day), a = regression constant, bi = regression constants, and Xi = snowmelt indexes described in Table 12-2.
em que M = escoamento do derretimento da neve em centímetros por dia (ou polegadas por dia), a = constante de regressão, bi = constantes de regressão e Xi = índices de derretimento da neve descritos na Tabela 12-2.
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Not all seven indexes are always significant for a particular basin. Typically, a regional snowmelt runoff equation is based on two or three indexes. For instance, a snowmelt runoff equation for the Boise River above Twin Springs, Idaho, is the following [10]:
Nem todos os sete índices são sempre significativos para uma bacia específica. Normalmente, uma equação de escoamento de neve derretida regional é baseada em dois ou três índices. Por exemplo, uma equação de escoamento de neve derretida para o rio Boise acima de Twin Springs, Idaho, é a seguinte [10]:
| M = -1.89 + 0.0245 T + 0.00238 G | (12-15) |
in which M = snowmelt runoff over snow-covered area in inches per day, T = maximum daily temperature at Boise, Idaho, and G = net all-wave radiation exchange in the open in langleys per day.
em que M = escoamento de neve derretida sobre a área coberta de neve em polegadas por dia, T = temperatura máxima diária em Boise, Idaho e G = troca líquida de radiação de todas as ondas a céu aberto em langleys por dia.
Temperature Indexes
Índices de temperatura
In many areas where snowmelt is an important contributor to runoff, air temperature measurements are the only data available from which snowmelt can be computed. Moreover, air temperature is regarded as the best single snowmelt index for forested areas. For these reasons, temperature indexes are the most widely used method of computing snowmelt.
Em muitas áreas em que o derretimento de neve é %G​​%@um importante contribuinte para o escoamento, as medições de temperatura do ar são os únicos dados disponíveis a partir dos quais o derretimento de neve pode ser calculado. Além disso, a temperatura do ar é considerada o melhor índice de derretimento de neve para áreas florestais. Por esses motivos, os índices de temperatura são o método mais usado para calcular o derretimento da neve.
A commonly used temperature index is degree-days above a chosen temperature base, obtained by counting the number of degrees above the temperature base for each day in which the temperature remains above the temperature base. Usually, mean daily temperature (i.e., the mean of maximum daily and minimum daily temperatures) is used in calculating the number of degree-days. The freezing level (0°C) is normally chosen as the temperature base. For certain applications, however, maximum daily temperature may be used in lieu of mean daily temperature. Moreover, a temperature other than freezing is sometimes used as the temperature base.
Um índice de temperatura comumente usado é graus-dia acima de uma base de temperatura escolhida, obtido pela contagem do número de graus acima da base de temperatura para cada dia em que a temperatura permanecer acima da base de temperatura. Normalmente, a temperatura média diária (isto é, a média das temperaturas máximas diárias e mínimas diárias) é usada no cálculo do número de graus-dia. O nível de congelamento (0 ° C) é normalmente escolhido como base de temperatura. Para certas aplicações, no entanto, a temperatura diária máxima pode ser usada em vez da temperatura média diária. Além disso, uma temperatura diferente do congelamento às vezes é usada como base de temperatura.
A widely used snowmelt indicator is the degree-day factor, a unit melt rate defined as the number of centimeters (inches) of melt per degree-day. Its units are either centimeters per degree Celsius-day [cm/(0°C-d)] or inches per degree Fahrenheit-day [in./(0°F-d)], with 1 in./(°F-d) = 4.57 cm/(0°C-d).
Um indicador de derretimento de neve amplamente utilizado é o fator grau-dia, uma taxa de fusão unitária definida como o número de centímetros (polegadas) de derretimento por grau-dia. Suas unidades são centímetros por grau Celsius-dia [cm / (0 ° Cd)] ou polegadas por grau Fahrenheit-dia [pol./(0°Fd)], com 1 pol./(°Fd) = 4,57 cm / (0 ° Cd).
Point Melt Rates. Early investigations of temperature indexes focused on point melt rates. Horton [6] performed experiments wherein cylinders of snow were cut from the snowpack and melted under laboratory-controlled temperature conditions. He found the degree-day factor to be in the range 0.04-0.06 in./(°F-d). Clyde [2] performed similar experiments and determined average degree-day factors in the range 0.05-0.07 in/(0°F-d). Church [3], using actual data from Soda Springs, California, obtained a degree-day factor of 0.051 in./(°F-d). In the Snow Hydrology report, values of degree-day factors ranging from 0.06 to 0.106 in./(°F-d) were obtained from measurements at three sites, with a mean of 0.085 in./(°F-d) [10].
Taxas de ponto de derretimento. As primeiras investigações dos índices de temperatura focaram nas taxas de ponto de fusão. Horton [6] realizou experimentos em que cilindros de neve foram cortados do manto de neve e derretidos sob condições de temperatura controladas por laboratório. Ele descobriu que o fator grau-dia estava na faixa de 0,04-0,06 pol./(°F-d). Clyde [2] realizou experiências semelhantes e determinou fatores médios em graus-dia na faixa de 0,05-0,07 in / (0 ° F-d). Church [3], usando dados reais de Soda Springs, Califórnia, obteve um fator grau-dia de 0,051 pol./(°F-d). No relatório Hidrologia da Neve, valores de fatores graus-dia variando de 0,06 a 0,106 pol./(°F-d) foram obtidos a partir de medições em três locais, com uma média de 0,085 pol./(°F-d) [10].
Basinwide Snowmelt. Although point melt rates are usually restricted within a relatively narrow range, their extrapolation to basinwide snowmelt rates is complicated because of the spatial and seasonal variability of snow cover. During the snowmelt season, the progressive retreat of the snow line results in a gradual change in mean elevation of the snow-covered area. Furthermore, only a part of the snow-covered area may be contributing to snowmelt. For instance, in the Northern Hemisphere, the southerly exposed open areas tend to melt first, leaving the more sheltered areas to produce the last of the snowmelt. These complexities contribute to making the basinwide evaluation of snowmelt quite a difficult undertaking.
Snowmelt em toda a bacia. Embora as taxas de derretimento pontual sejam geralmente restritas dentro de uma faixa relativamente estreita, sua extrapolação para as taxas de derretimento da neve em toda a bacia é complicada devido à variabilidade espacial e sazonal da cobertura de neve. Durante a estação de derretimento da neve, a retirada progressiva da linha de neve resulta em uma mudança gradual na elevação média da área coberta de neve. Além disso, apenas uma parte da área coberta de neve pode estar contribuindo para o derretimento da neve. Por exemplo, no Hemisfério Norte, as áreas abertas expostas ao sul tendem a derreter primeiro, deixando as áreas mais protegidas para produzir o último derretimento da neve. Essas complexidades contribuem para tornar a avaliação em toda a bacia do derretimento de neve um empreendimento bastante difícil.
A complete water balance is required so that the sources of snowmelt runoff can be properly identified. Moreover, the areal extent of the snowpack needs to be determined. Extensive studies of basinwide snowmelt runoff reported in Snow Hydrology resulted in the basinwide degree-day factors shown in Table 12-3. The values shown are means for the several years of record in the three testing sites. They reflect the general decrease in melt amounts with increasing forest cover, from the central Sierra in California to the Upper Columbia and Willamette basins in the Northwest. They also reflect the general increase in melt as the melt season progresses, from April to May. The April melt is shown to be generally less than the May melt because some of the April heat is consumed in ripening the snowpack rather than in melting it.
É necessário um balanço hídrico completo para que as fontes do escoamento do derretimento da neve possam ser adequadamente identificadas. Além disso, a extensão da área de neve precisa ser determinada. Estudos extensos de escoamento de derretimento de neve em toda a bacia, relatados na Snow Hydrology, resultaram nos fatores de grau-dia em toda a bacia, mostrados na Tabela 12-3. Os valores mostrados são médias para os vários anos de registro nos três locais de teste. Eles refletem a diminuição geral das quantidades de derretimento com o aumento da cobertura florestal, desde a região central de Sierra, na Califórnia, até as bacias Upper Columbia e Willamette, no noroeste. Eles também refletem o aumento geral do derretimento à medida que a estação de derretimento progride, de abril a maio. O derretimento de abril é geralmente menor do que o derretimento de maio, porque parte do calor de abril é consumida no amadurecimento do manto de neve, e não no seu derretimento.
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||
Generalized Basin Snowmelt Equations
Equações de derretimento da bacia generalizada
A suitable mix of the relevant physical processes and statistical analyses was used in Snow Hydrology to develop generalized basin snowmelt equations. These equations are based on commonly available meteorological data, with appropriate simplifications to enhance their practicality.
Uma mistura adequada dos processos físicos relevantes e análises estatísticas foi usada na Hidrologia da Neve para desenvolver equações generalizadas de derretimento da bacia. Essas equações são baseadas em dados meteorológicos comumente disponíveis, com simplificações apropriadas para aprimorar sua praticidade.
Equations for Raináfree Periods. The generalized basin snowmelt equations for rain-free periods are as follows [10]:
Equações para períodos sem chuva. As equações generalizadas de derretimento da bacia para períodos sem chuva são as seguintes [10]:
- For heavily forested areas:
Para áreas fortemente arborizadas:
M = 0.074 (0.53 T'a + 0.47 T'd) (12-16a) - For forested areas:
Para áreas florestais:
M = k (0.0084v ) (0.22 T'a + 0.78 T'd ) + 0.029 T'a (12-16b) - For partly forested areas:
Para áreas parcialmente florestadas:
M = k' (1 - F ) (0.004 Ii ) (1 - A) + k (0.0084 v ) (0.22 T'a + 0.78 T'd ) + F (0.029 T'a)
(12-16c) - For open areas:
Para áreas abertas:
M = k' (0.00508 Ii (1 - A) + (1 - N) (0.0212 T'a - 0.84) + N (0.029 T'c) + k (0.0084 v) (0.22 T'a + 0.78 T'c)
(12-16d)
in which
no qual
M = snowmelt rate in inches per day,
M = taxa de derretimento da neve em polegadas por dia,
- T'a = difference between the air temperature at a 10-ft height and the snow surface temperature in degrees Fahrenheit,
T'a = diferença entre a temperatura do ar a uma altura de 10 pés e a temperatura da superfície da neve em graus Fahrenheit,
T'd = difference between the dew point temperature at a 10-ft height and the snow surface temperature in degrees Fahrenheit,
T'd = diferença entre a temperatura do ponto de orvalho a uma altura de 10 pés e a temperatura da superfície da neve em graus Fahrenheit,
v = wind speed at 50 ft above the snow in miles per hour.
v = velocidade do vento a 50 pés acima da neve em milhas por hora.
Ii = observed or estimated daily insolation in langleys,
Ii = insolação diária observada ou estimada em langleys,
A = observed or estimated average snow surface albedo, expressed as a decimal fraction,
A = albedo médio observado ou estimado na superfície da neve, expresso como uma fração decimal,
k' = basin shortwave radiation melt factor, which depends on the average exposure of open areas compared to an unshielded horizontal surface; for south slopes, it varies between 1.1 in the summer solstice to 2.4 in the winter solstice,
k '= fator de fusão da radiação de ondas curtas da bacia, que depende da exposição média de áreas abertas em comparação com uma superfície horizontal não blindada; nas encostas sul, varia entre 1,1 no solstício de verão e 2,4 no solstício de inverno,
F = estimated average basin forest canopy cover, effective in shading the area from solar radiation, expressed as a decimal fraction,
F = cobertura média estimada da cobertura florestal da bacia, eficaz para proteger a área da radiação solar, expressa em fração decimal,
T'c = difference between the cloud base temperature and the snow surface temperature in degrees Fahrenheit,
T'c = diferença entre a temperatura base da nuvem e a temperatura da superfície da neve em graus Fahrenheit,
N = estimated cloud cover, expressed as a decimal fraction, and
N = cobertura estimada de nuvens, expressa como uma fração decimal, e
k = basin factor, a function of basin topographic characteristics and exposure to wind, varying from about 0.2 for densely forested areas to slightly over 1.0 for exposed ridges and mountain passes (for plain areas with no forest cover, k = 1.0).
k = fator da bacia, uma função das características topográficas da bacia e exposição ao vento, variando de cerca de 0,2 para áreas densamente florestadas a pouco mais de 1,0 para cumes expostos e passagens nas montanhas (para áreas planas sem cobertura florestal, k = 1,0).
Equations for Periods with Rainfall. The generalized basin snowmelt equations for periods with rainfall are as follows [10]:
Equações para períodos com precipitação. As equações generalizadas de derretimento da bacia para períodos com precipitação são as seguintes [10]:
- For open or partly forested basins:
Para bacias abertas ou parcialmente florestadas:
M = (0.029 + 0.0084 k v + 0.007 Pr) ( Ta - 32) + 0.09 (12-17a) - For heavily forested areas:
Para áreas fortemente arborizadas:
M = (0.074 + 0.007 Pr) ( Ta - 32) + 0.05 (12-17b)
in which Ta = temperature of saturated air at a 10-ft height in degrees Fahrenheit; Pr = rainfall rate in inches per day; and k, v, and M have been previously defined.
em que Ta = temperatura do ar saturado a uma altura de 10 pés em graus Fahrenheit; Pr = taxa de precipitação em polegadas por dia; ek, ve M foram definidos anteriormente.
12.4 EFEITO DA CONDIÇÃO DO PACOTE DE NEVE NO ESCOAMENTO SUPERFICIAL
|
|
Character of the Snowpack
Personagem do Snowpack
Snow is composed of ice crystals, which are formed in the atmosphere at temperatures below freezing by sublimation of water vapor on hygroscopic nuclei. There are many different types of snow crystals, depending on the shape of the nucleus, the rate of sublimation, and the temperature of the air. Due to the usual dendritic structure of snow crystals, new-fallen snow is generally of low density. With time, however, the snowpack density increases. The change from a loose, dry, subfreezing, low-density snowpack to a coarse, granular, moist, high-density snowpack is referred to as the ripening or conditioning, of the snowpack. A ripe snowpack is said to be primed to produce runoff. Snowpack density can be used to characterize other physical properties of snowpack, including its thermal properties and its affinity for water.
A neve é composta de cristais de gelo, que são formados na atmosfera a temperaturas abaixo de zero por sublimação do vapor de água nos núcleos higroscópicos. Existem muitos tipos diferentes de cristais de neve, dependendo da forma do núcleo, da taxa de sublimação e da temperatura do ar. Devido à estrutura dendrítica usual dos cristais de neve, a neve recém-caída é geralmente de baixa densidade. Com o tempo, no entanto, a densidade da neve aumenta. A mudança de um pacote de neve solto, seco, sub-congelante e de baixa densidade para um pacote de neve grosso, granular, úmido e de alta densidade é chamada de amadurecimento ou condicionamento do pacote de neve. Diz-se que uma camada de neve madura está preparada para produzir escoamento. A densidade do bloco de neve pode ser usada para caracterizar outras propriedades físicas do bloco de neve, incluindo suas propriedades térmicas e sua afinidade pela água.
Liquid Water in the Snowpack
Água líquida no Snowpack
Water exists in the snowpack in three forms:
A água existe na neve sob três formas:
-
Hygroscopic water, which is adsorbed as a thin film on the surfaces of snow crystals and is unavailable for runoff until the snow crystals have melted or changed in form.
Água higroscópica, que é adsorvida como uma película fina nas superfícies dos cristais de neve e não está disponível para escoamento até que os cristais de neve derretam ou mudem de forma.
-
Capillary water, held by surface tension in the capillary spaces around the snow particles, free to move under the influence of capillary forces but unavailable for runoff until the snow melts or the spacing between snow crystals changes.
A água capilar, mantida pela tensão superficial nos espaços capilares ao redor das partículas de neve, livre para se mover sob a influência de forças capilares, mas indisponível para o escoamento até a neve derreter ou o espaçamento entre os cristais de neve mudar.
-
Gravitational water, in transit through the snowpack under the influence of gravity, draining freely from the snowpack, and available for runoff.
Água gravitacional, em trânsito pelo manto de neve sob a influência da gravidade, drenando livremente do manto de neve e disponível para escoamento.
Water moves within the snowpack in both vapor and liquid phases. The amounts of water vapor are usually small compared to the amounts of liquid water. The liquid-water-holding capacity of a snowpack is the sum of hygroscopic and capillary water, expressed in percent of snow by weight. Any water in excess of the liquid-water-holding capacity moves in a generally downward direction driven by the gravitational force.
A água se move dentro da neve nas fases de vapor e líquido. As quantidades de vapor de água são geralmente pequenas em comparação com as quantidades de água líquida. A capacidade de retenção de água líquida de uma bolsa de neve é %G​​%@a soma da água higroscópica e capilar, expressa em porcentagem de neve em peso. Qualquer água que exceda a capacidade de retenção de água líquida se move em uma direção geralmente descendente, impulsionada pela força gravitaciona
The snowpack is said to be dry when its temperature is below freezing. At °C, the degree of wetness of the snowpack depends on its liquid-water-holding capacity and the availability of free water. Winter rains or melt may bring the snowpack to its liquid-water-holding capacity. Subsequent weather may change the character of the snowpack and, with it, its liquid-water-holding capacity.
Diz-se que a neve está seca quando a temperatura está abaixo de zero. A ° C, o grau de umidade do manto de neve depende de sua capacidade de retenção de água líquida e da disponibilidade de água livre. As chuvas ou o derretimento do inverno podem levar a neve à sua capacidade de retenção de água líquida. O clima subsequente pode alterar o caráter do manto de neve e, com ele, sua capacidade de retenção de água líquida.
A snow pack at 0°C has a liquid-water-holding capacity of approximately 2 to 5 percent, depending on (1) its density and depth, (2) the size, shape, and spacing of snow crystals, and (3) its structure. The liquid-water-holding capacity of a snowpack can be related to its density, but the relationship is not immediately apparent.
Um pacote de neve a 0 ° C tem uma capacidade de retenção de água líquida de aproximadamente 2 a 5%, dependendo de (1) sua densidade e profundidade, (2) tamanho, forma e espaçamento dos cristais de neve e (3) sua estrutura. A capacidade de retenção de água líquida de uma bolsa de neve pode estar relacionada à sua densidade, mas o relacionamento não é imediatamente aparente.
Metamorphism of the Snowpack
Metamorfismo do Snowpack
The change in character with time, i.e., the metamorphism of the snowpack, determines to a large extent the amount of snowmelt and runoff. Generally, for equal amounts of melt and hydrologic abstractions (losses), the generated runoff is a function of snowpack condition. For instance, an initially cold (i.e., subfreezing) snow will freeze a certain amount of liquid water entering it, raising the temperature of the snow to the melting point. Before releasing any free-draining water, the liquid-water-holding capacity of the snowpack needs to be satisfied. If, however, the entire snowpack is already conditioned to yield water, all water inflow will pass through the snowpack to the ground without depletion.
A mudança de caráter com o tempo, isto é, o metamorfismo do manto de neve, determina em grande parte a quantidade de derretimento e escoamento de neve. Geralmente, para quantidades iguais de derretimento e abstrações hidrológicas (perdas), o escoamento gerado é uma função da condição da camada de neve. Por exemplo, uma neve inicialmente fria (isto é, sub-congelante) congelará uma certa quantidade de água líquida que entra nela, elevando a temperatura da neve até o ponto de fusão. Antes de liberar qualquer água de drenagem livre, a capacidade de retenção de água líquida do pacote de neve precisa ser satisfeita. Se, no entanto, todo o bloco de neve já estiver condicionado a produzir água, toda a entrada de água passará pelo bloco de neve até o chão sem esgotar.
Factors Affecting the Metamorphism of Snow. Time is the principal factor in the metamorphism of snow. The physical processes contributing to the metamorphism of snow are: (1) heat transfer at the snow surface by radiation, convection, and condensation, (2) percolation of melt or rainwater through the snowpack, (3) internal pressure due to the weight of the snow, (4) wind, (5) temperature and water vapor variation within the snowpack, and (6) heat transfer at the ground surface. These physical processes cause changes in the following properties of the snowpack: (1) density, (2) structure, (3) air, water, and heat permeability and diffusivity, (4) liquid- water-holding capacity, and (5) temperature.
Fatores que afetam o metamorfismo da neve. O tempo é o principal fator no metamorfismo da neve. Os processos físicos que contribuem para o metamorfismo da neve são: (1) transferência de calor na superfície da neve por radiação, convecção e condensação, (2) percolação de água derretida ou da chuva através da neve, (3) pressão interna devido ao peso de a neve, (4) vento, (5) variação de temperatura e vapor de água dentro do manto de neve e (6) transferência de calor na superfície do solo. Esses processos físicos causam alterações nas seguintes propriedades do manto de neve: (1) densidade, (2) estrutura, (3) permeabilidade e difusividade do ar, água e calor, (4) capacidade de retenção de água líquida e (5) temperatura.
Structure of the Snowpack. As each new layer of snow is deposited, its upper surface is subjected to the weathering effects of radiation, rain, and wind, its undersurface is subjected to ground heat, and its interior to the action of the percolating water and water vapor. This results in the stratification of the snowpack, that is, it becomes a layered structure reflecting individual snowstorm deposits. As the season progresses, the snowpack tends to become homogeneous with respect to temperature, liquid-water content, grain size, and density.
Estrutura do Snowpack. À medida que cada nova camada de neve é %G​​%@depositada, sua superfície superior é sujeita aos efeitos climáticos da radiação, chuva e vento, sua superfície inferior é sujeita ao calor do solo e seu interior à ação da água percolante e do vapor d'água. Isso resulta na estratificação do manto de neve, ou seja, ele se torna uma estrutura em camadas que reflete os depósitos de tempestades de neve individuais. À medida que a estação avança, o manto de neve tende a se tornar homogêneo em relação à temperatura, teor de água líquida, tamanho dos grãos e densidade.
During the melt season, on clear nights, a relatively shallow surface layer cools considerably below 0°C due to the outgoing long-wave radiation. Below this nocturnal snow crust, the snowpack remains at 0°C, and liquid water continues to drain as long as the snowpack water content remains above its liquid-water-holding capacity. The thickness of the nocturnal crust is approximately 30 cm [10].
Durante a estação de fusão, em noites claras, uma camada superficial relativamente rasa esfria consideravelmente abaixo de 0 ° C devido à radiação de ondas longas emitida. Abaixo dessa crosta noturna de neve, o manto de neve permanece a 0 ° C e a água líquida continua a drenar enquanto o conteúdo de água do manto de neve permanecer acima de sua capacidade de retenção de água líquida. A espessura da crosta noturna é de aproximadamente 30 cm [10].
Heat Transfer Within the Snowpack. Heat transfer within the snowpack is among the processes responsible for its ripening or conditioning. During the spring melt season, the snowpack is normally at a temperature of 0°C, except for the nocturnal crust, and any heat reaching the surface is converted to melt. During the winter, however, the snowpack is often at temperatures below 0°C, and a certain amount of heat must be transferred from the surface and ground to the snowpack to meet the thermal deficiency before melting and runoff can occur. In hydrologic applications, the thermal deficiency of the snowpack can be taken as a heat deficit or initial heat loss, which must be satisfied before runoff can take place.
Transferência de calor dentro do Snowpack. A transferência de calor dentro do manto de neve está entre os processos responsáveis pelo seu amadurecimento ou condicionamento. Durante a estação de fusão da primavera, a neve está normalmente a uma temperatura de 0 ° C, exceto para a crosta noturna, e qualquer calor que chega à superfície é convertido em fusão. Durante o inverno, no entanto, o manto de neve geralmente está em temperaturas abaixo de 0 ° C e uma certa quantidade de calor deve ser transferida da superfície e do solo para o manto de neve para atender à deficiência térmica antes que o derretimento e o escoamento superficial possam ocorrer. Em aplicações hidrológicas, a deficiência térmica do manto de neve pode ser considerada como déficit de calor ou perda inicial de calor, que deve ser satisfeita antes que o escoamento ocorra.
Water Transmission Through the Snowpack. The condition of the snowpack determines the amount of storage and the rate of downward movement of water. The temperature, size, shape, surface area, and spacing of the snow crystals, melt rates, and rainfall intensities control the retention and detention of water as it moves downward through the snowpack.
Transmissão de água através do Snowpack. A condição do pacote de neve determina a quantidade de armazenamento e a taxa de movimento descendente da água. A temperatura, tamanho, forma, área da superfície e espaçamento dos cristais de neve, as taxas de fusão e as intensidades das chuvas controlam a retenção e a retenção de água à medida que ela se move para baixo através da neve.
The time of travel of unprimed snow may be considerable, particularly when the snow is striated with ice planes that are flat or upwardly concave. If a water course is established within the snowpack, the travel time may be relatively short, being largely a function of the snowpack depth. O tempo de viagem da neve não-primitiva pode ser considerável, principalmente quando a neve é estriada por aviões de gelo que são lisos ou côncavos para cima. Se um curso de água for estabelecido dentro do manto de neve, o tempo de viagem pode ser relativamente curto, em grande parte uma função da profundidade do manto de neve.
Energy Required for Ripening the Snowpack. The energy required for ripening the snowpack is [10]:
Energia necessária para amadurecer o Snowpack. A energia necessária para amadurecer a neve é [10]:
|
Ts
Ec = ______ + fp 1.6 | (12-18) |
in which Ec = equivalent energy required to ripen the snowpack, in percent of melt energy, Ts = average snow temperature below 0°C (positive value), and fp = liquid-water-holding capacity in percent. For instance, for Ts = -8°C, and fp = 2%, the energy required to ripen the snowpack is 7 percent of the energy required to melt it. This energy is normally supplied during the transition between accumulation and melt periods, so that its effect on flows during the active melt season is relatively small. During the winter, however, the energy required for ripening the snowpack may be an appreciable fraction of the available energy.
em que Ec = energia equivalente necessária para amadurecer a neve, em porcentagem de energia derretida, Ts = temperatura média da neve abaixo de 0 ° C (valor positivo) e fp = capacidade de retenção de água líquida em porcentagem. Por exemplo, para Ts = -8 ° C e fp = 2%, a energia necessária para amadurecer a neve é 7% da energia necessária para derretê-la. Essa energia é normalmente fornecida durante a transição entre os períodos de acumulação e derretimento, de modo que seu efeito sobre os fluxos durante a estação de derretimento ativo é relativamente pequeno. Durante o inverno, no entanto, a energia necessária para amadurecer a neve pode ser uma fração considerável da energia disponível.
12.5 SÍNTESE DO HIDROGRAMA DO PACOTE DE NEVE
|
|
The synthesis of snowmelt or rain-on-snow hydrographs differs in several respects from that of rainfall hydrographs. For one thing, only a fraction of the basin may be covered by snow. Furthermore, for rain-on-snow floods, the losses (i.e., the hydrologic abstractions) of snow-covered areas may be quite different from those of snow-free areas.
A síntese de hidrogramas de derretimento de neve ou chuva sobre neve difere em vários aspectos da hidrografia de chuva. Por um lado, apenas uma fração da bacia pode ser coberta por neve. Além disso, para inundações de chuva na neve, as perdas (ou seja, as abstrações hidrológicas) de áreas cobertas de neve podem ser bastante diferentes daquelas de áreas sem neve.
Elevation Effects
Efeitos de elevação
Elevation is an important factor in snowmelt hydrograph determinations. Both rain and snow amounts tend to increase with elevation, whereas snowfall occurs more frequently at higher elevations. Moreover, melt rates have a tendency to decrease with an increase in elevation.
A elevação é um fator importante nas determinações do hidrograma de degelo. As quantidades de chuva e neve tendem a aumentar com a elevação, enquanto a queda de neve ocorre com mais frequência em altitudes mais altas. Além disso, as taxas de fusão tendem a diminuir com o aumento da elevação.
Two approaches are used in taking into account elevation effects in snowmelt computations: (1) the elevation-band method, and (2) the rational method. In the elevation-band method, the limiting (i.e., maximum and minimum) basin elevations are identified. Several elevation bands are chosen within these limits, and the subareas comprised within each elevation band are measured. Elevations limiting each band may be determined either by equal-elevation increments or by equal-area bands. A sufficient number of bands should be chosen to assure a smooth variation in snowmelt, rainfall, and loss amounts. Each elevation band is assumed to be either snowcovered or snow-free, melting or not melting, raining or not raining, and losing water through hydrologic abstractions at a constant rate. Snowmelt, rainfall, and loss amounts are estimated for each elevation band.
Duas abordagens são usadas para levar em consideração os efeitos de elevação nos cálculos de derretimento de neve: (1) o método da banda de elevação e (2) o método racional. No método da banda de elevação, são identificadas as elevações da bacia limitadora (isto é, máxima e mínima). Várias faixas de elevação são escolhidas dentro desses limites e as subáreas compreendidas dentro de cada faixa de elevação são medidas. As elevações que limitam cada banda podem ser determinadas por incrementos de elevação igual ou por faixas de área igual. Um número suficiente de bandas deve ser escolhido para garantir uma variação suave nos valores de derretimento da neve, chuva e perdas. Presume-se que cada faixa de elevação seja coberta de neve ou sem neve, derretendo ou não derretendo, chovendo ou não chovendo e perdendo água através de abstrações hidrológicas a uma taxa constante. Os montantes de derretimento de neve, precipitação e perda são estimados para cada faixa de elevação.
The rational method treats the drainage basin as a unit, making corrections for snow-free subareas and subareas with snowfall during rain-on-snow storms. In this approach, it is assumed that the snow-cover depletion progresses regularly upwards, from lower to higher elevations. The contribution to snowmelt originates in the area between the snow line, the average elevation of the lower limit of the snow-covered area, and the melt line, the average elevation of the upper limit of snowmelt. In the case of rain on snow, the contributing area for rainfall runoff has an upper limit at the elevation where the rain becomes snow. Typically there are three distinct bands in the rational method: (1) a lower band where rain falls on snow-free ground, (2) a middle band where rain falls on snow-covered ground, and (3) an upper band where snow falls on snow-covered ground.
O método racional trata a bacia de drenagem como uma unidade, fazendo correções para subáreas sem neve e subáreas com queda de neve durante tempestades de chuva sobre neve. Nesta abordagem, supõe-se que o esgotamento da neve progrida regularmente para cima, de elevações mais baixas para maiores. A contribuição para o derretimento da neve se origina na área entre a linha de neve, a elevação média do limite inferior da área coberta de neve e a linha de derretimento, a elevação média do limite superior do derretimento de neve. No caso de chuva na neve, a área contribuinte para o escoamento da chuva tem um limite superior na elevação onde a chuva se torna neve. Normalmente, existem três faixas distintas no método racional: (1) uma faixa inferior onde a chuva cai em terreno sem neve, (2) uma faixa intermediária onde a chuva cai em solo coberto de neve e (3) uma faixa superior onde a neve cai no chão coberto de neve.
Effect of Melt Period
Efeito do período de fusão
The melt period has an effect on the synthesis of snowmelt hydrographs. Since snowmelt is diurnal in character, the daily snowmelt quantity is usually generated in less than 12 h. For large basins, particularly those for which no regular diurnal pattern of streamflow increase is discernible, daily melt amounts may be considered as daily increments. For smaller basins, especially those with faster response characteristics, the day may be divided into two 12-h or three 8-h increments, with all the melt attributed to one of the increments.
O período de fusão afeta a síntese de hidrogramas de fusão de neve. Como o derretimento da neve é de caráter diurno, a quantidade diária de derretimento da neve é geralmente gerada em menos de 12 h. Para bacias grandes, particularmente aquelas para as quais não é discernível um padrão diurno regular de aumento do fluxo, as quantidades diárias de fusão podem ser consideradas como incrementos diários. Para bacias menores, especialmente aquelas com características de resposta mais rápidas, o dia pode ser dividido em dois incrementos de 12 horas ou três de 8 horas, com todo o derretimento atribuído a um dos incrementos.
Rain-on-Snow Hydrographs
Hidrogramas de chuva na neve
In rain-on-snow situations, the effect of the snow pack is twofold: (1) to add an increment of meltwater to rainfall and (2) to store and detain, in varying degrees, the rainwater and generated melt. The latter effect substantially increases the difficulty of calculating rain-on-snow flood hydrographs.
Em situações de chuva na neve, o efeito do pacote de neve é %G​​%@duplo: (1) adicionar um incremento de água derretida à chuva e (2) armazenar e deter, em graus variados, a água da chuva e o derretimento gerado. Este último efeito aumenta substancialmente a dificuldade de calcular os hidrogramas de chuva sobre a neve.
Depending on the condition of the snowpack, rainwater may be stored by the pack or pass through without depletion. A dry, subfreezing snowpack may be able to store considerable amounts of rainwater. Moreover, a deep snowpack may contribute an additional storage effect because of the increased travel time required for water to pass through it. On the other hand, a thoroughly conditioned snowpack may oppose very little resistance to the flow of water and may actually abet runoff by adding an increment of melt of its own. More importantly, however, a conditioned snowpack may have helped maintain soil moisture at high levels, which may result in the complete conversion of snowmelt into runoff. Between these two extremes lies an array of intermediate cases. Therefore, a knowledge of the initial condition of the snowpack is essential for the proper synthesis of rain-on-snow hydrographs.
Dependendo das condições do pacote de neve, a água da chuva pode ser armazenada pelo pacote ou passar sem esgotar. Um pacote de neve seco e com sub congelamento pode armazenar quantidades consideráveis %G​​%@de água da chuva. Além disso, um saco de neve profundo pode contribuir com um efeito de armazenamento adicional devido ao aumento do tempo de viagem necessário para a água passar por ele. Por outro lado, um manto de neve completamente condicionado pode opor-se a muito pouca resistência ao fluxo de água e pode realmente favorecer o escoamento adicionando um incremento de derretimento próprio. Mais importante, no entanto, um manto de neve condicionado pode ter ajudado a manter a umidade do solo em altos níveis, o que pode resultar na conversão completa do derretimento de neve em escoamento. Entre esses dois extremos, encontra-se um conjunto de casos intermediários. Portanto, é essencial um conhecimento das condições iniciais do manto de neve para a síntese adequada dos hidrogramas da chuva na neve.
Spring Snowmelt Runoff Hydrographs
Hidrogramas de escoamento de neve de primavera
Spring snowmelt runoff hydrographs tend to vary with orographic patterns. For instance, in the mountainous areas of the western United States, the annual spring snowmelt flood is caused by the sustained melting of deep snowpacks over a long period of time. On the other hand, in the northern Great Plains of the United States, snowmelt floods occur often in early spring, triggered by the comparatively fast melting of shallow snowpack covering extensive areas.
Os hidrogramas de escoamento de neve derretida na primavera tendem a variar com os padrões orográficos. Por exemplo, nas áreas montanhosas do oeste dos Estados Unidos, a inundação anual de derretimento de neve na primavera é causada pelo derretimento sustentado de grandes sacos de neve por um longo período de tempo. Por outro lado, no norte das Grandes Planícies dos Estados Unidos, as inundações por derretimento de neve ocorrem frequentemente no início da primavera, desencadeadas pelo derretimento comparativamente rápido de blocos de neve rasos que cobrem áreas extensas.
Three approaches are used to synthesize spring snowmelt runoff hydrographs. These are: (1) the elevation-band method, (2) the rational method, and (3) the one-step method.
Três abordagens são usadas para sintetizar hidrogramas de escoamento de neve derretida na primavera. São eles: (1) o método da banda de elevação, (2) o método racional e (3) o método de uma etapa.
Elevation-band Method. In this method, the basin is subdivided into several (n) elevation bands, and snowmelt, rainfall, and losses are computed separately for each band. Melt and rain are assumed to be spatially uniform throughout each band, and the entire band is assumed to be either snow-covered or snow-free, and melting or not melting. Snowmelt is computed by using temperature or other appropriate indexes. Excess basin water available for runoff (in centimeters per day, inches per day, or other suitable rate units) is obtained by weighing rainfall, snowmelt, and losses in proportion to the individual band subareas:
Método de banda de elevação. Nesse método, a bacia é subdividida em várias (n) faixas de elevação, e o derretimento da neve, a precipitação e as perdas são calculados separadamente para cada banda. Presume-se que o derretimento e a chuva sejam espacialmente uniformes ao longo de cada faixa, e considera-se que toda a faixa esteja coberta de neve ou livre de neve e esteja derretendo ou não. O derretimento da neve é calculado usando a temperatura ou outros índices apropriados. O excesso de água da bacia disponível para escoamento (em centímetros por dia, polegadas por dia ou outras unidades de taxa adequadas) é obtido pesando-se chuva, derretimento da neve e perdas na proporção das subáreas de banda individuais:
|
n
Σ [(Pi + Mi - Li ) Ai ] i = 1 Me = _________________________ n Σ Ai i = 1 | (12-19) |
in which Me = excess basin water available for runoff, Pi = rainfall, Mi = melt, Li = losses, and Ai = band subarea. The summation is for each of n bands.
em que Me = excesso de água da bacia disponível para escoamento, Pi = precipitação, Mi = derretimento, Li = perdas e Ai = subárea da banda. O somatório é para cada uma das n bandas.
Rational Method. In this method the basin is treated as a unit, and excess basin water available for runoff (in centimeters per day, inches per day, or other suitable rate units) is calculated as follows:
Método Racional. Nesse método, a bacia é tratada como uma unidade e o excesso de água da bacia disponível para escoamento (em centímetros por dia, polegadas por dia ou outras unidades de taxa adequadas) é calculado da seguinte forma:
The melt line is established as the average elevation above which the air temperature is below freezing.
A linha de fusão é estabelecida como a elevação média acima da qual a temperatura do ar está abaixo de zero.
The snow line is established as the average elevation of the lower limit of the snow-covered area.
A linha de neve é estabelecida como a elevação média do limite inferior da área coberta de neve.
The contributing area, i.e., the fraction of the basin contributing to snowmelt, is the area between melt and snow lines.
A área de contribuição, isto é, a fração da bacia que contribui para o derretimento da neve, é a área entre as linhas de derretimento e neve.
Mean basin melt rate is obtained by multiplying the calculated snowmelt rate by the ratio of contributing area to basin area.
A taxa média de derretimento da bacia é obtida multiplicando a taxa calculada de derretimento da neve pela razão entre a área de contribuição e a área da bacia.
Excess basin water available for runoff is equal to mean basin melt rate plus mean basin precipitation minus mean basin loss rate.
O excesso de água da bacia disponível para escoamento é igual à taxa média de derretimento da bacia mais precipitação média da bacia menos taxa média de perda da bacia.
One-step Method. This method makes use of a chart showing mean basin melt rate as a function of mean daily air temperature and snowline elevation. An example of this chart for the Boise River Basin above Twin Springs, Idaho, is shown in Fig. 12-8. The chart is site-specific, with the size of contributing area implicit in it. Excess basin water available for runoff is equal to mean basin melt rate plus mean basin precipitation minus mean basin loss rate.
Método de uma etapa. Este método utiliza um gráfico que mostra a taxa média de fusão da bacia em função da temperatura média diária do ar e da elevação da linha de neve. Um exemplo deste gráfico para a Bacia do Rio Boise acima de Twin Springs, Idaho, é mostrado na Fig. 12-8. O gráfico é específico do site, com o tamanho da área de contribuição implícita. O excesso de água da bacia disponível para escoamento é igual à taxa média de derretimento da bacia mais precipitação média da bacia menos taxa média de perda da bacia.
Example 12-1.
Given the following rainfall, snowmelt. and losses data for a 950-km2 catchment, calculate the excess basin water available for runoff by the elevation-band method.
Dadas as seguintes chuvas, derretimento da neve. e dados de perdas para uma bacia hidrográfica de 950 km2, calcule o excesso de água da bacia disponível para escoamento pelo método da banda de elevação.
The application of Eq. 12-19 leads to: Me = [(1.0 x 250) + (2.0 X 210) + (2.3 X 180) +
(2.4 X 170) + (2.4 X 140)]1(250 + 210 + 180 + 170 + 140) = 1.924 cm/d.
|
Figure 12-8 Snowmelt chart for Boise River Basin above Twin Springs, Idaho [10]. |
Example 12-2.
Given the following data, calculate the excess basin water available for runoff by the rational method: basin area 1000 km2; snow line at elevation 3000 m at 14°C mean daily temperature, with subarea below elevation 3000 m equal to 630 km2; melt line at elevation 4000 m at 6°C mean daily temperature, with subarea above elevation 4000 m equal to 150 km2; mean basin precipitation 0.36 cm/d, mean basin losses 0.23 cm/d, and degree-day factor 0.15 cm/(°C-d).
Assume a linear decrease in mean daily temperature with elevation.
Dados os seguintes dados, calcule o excesso de água da bacia disponível para escoamento pelo método racional: área da bacia 1000 km2; linha de neve à altitude 3000 m a 14 ° C, temperatura média diária, com subárea abaixo da altitude 3000 m igual a 630 km2; linha de derretimento na elevação 4000 m a 6 ° C, temperatura média diária, com subárea acima da elevação 4000 m igual a 150 km2; precipitação média da bacia 0,36 cm / d, perdas médias da bacia 0,23 cm / dia fator fator dia 0,15 cm / (° C-d). Suponha uma diminuição linear na temperatura média diária com elevação.
The contributing area is 1000 - 630 - 150 = 220 km2.
The mean daily temperature within the contributing area is 10°C.
The snowmelt is: 0.15 × 10 = 1.5 cm/d.
Mean basin melt is: 1.5 × (220/1000) = 0.33 cm/d.
Total basin water is: 0.36 + 0.33 = 0.69 cm/d.
Excess basin water avaiiable for runoff is: 0.69 - 0.23 = 0.46 cm/d.
A área de contribuição é 1000 - 630 - 150 = 220 km2. A temperatura média diária na área de contribuição é de 10 ° C. O degelo é: 0,15 × 10 = 1,5 cm / d. A fusão média da bacia é: 1,5 × (220/1000) = 0,33 cm / d. A água total da bacia é: 0,36 + 0,33 = 0,69 cm / d. O excesso de água da bacia disponível para escoamento é: 0,69 - 0,23 = 0,46 cm / d.
|
Time Distribution of Runoff
Distribuição do tempo do escoamento superficial
Either unit hydrograph techniques (Section 5.3) or catchment routing methods (Section 10.4) are used in the generation of runoff hydrographs from snow-covered areas. Conventional unit hydrographs are used for rain-on-snow events. Special long-tail unit hydrographs may be necessary to synthesize runoff from excess spring snowmelt water [10].
As técnicas de hidrografia unitária (Seção 5.3) ou métodos de roteamento de captação (Seção 10.4) são usadas na geração de hidrogramas de escoamento superficial de áreas cobertas de neve. Os hidrogramas de unidade convencionais são usados para eventos de chuva na neve. Hidrogramas especiais de unidade de cauda longa podem ser necessários para sintetizar o escoamento do excesso de água derretida pela neve da primavera [10].
QUESTÕES
|
|
What atmospheric and environmental conditions control snow accumulation?
Quais condições atmosféricas e ambientais controlam o acúmulo de neve?
What is albedo? What is a typical range of albedo for snow-covered surfaces?
O que é albedo? Qual é a gama típica de albedo para superfícies cobertas de neve?
What are the principal sources of heat energy involved in melting of the snowpack?
Quais são as principais fontes de energia térmica envolvidas no derretimento da neve?
What is the thermal quality of a snowpack? What is a typical value of thermal quality for a ripe snowpack?
Qual é a qualidade térmica de um snowpack? Qual é o valor típico da qualidade térmica para uma neve madura?
What is the solar constant? What is the value of the solar constant?
Qual é a constante solar? Qual é o valor da constante solar?
What is insolation? What is the value of daily insolation amount received at the outer limit of the earth's atmosphere for a 30°N latitude at winter solstice?
O que é insolação? Qual é o valor da quantidade diária de insolação recebida no limite externo da atmosfera da Terra por uma latitude de 30 ° N no solstício de inverno?
What is convective melt? What is condensation melt?
O que é fusão convectiva? O que é fusão por condensação?
What is rain melt? What is ground melt?
O que é derreter a chuva? O que é o derretimento do solo?
What are the controlling factors in shortwave radiation melt?
Quais são os fatores de controle na radiação de ondas curtas derreter?
What is an index in hydrologic practice?
O que é um índice na prática hidrológica?
What is the controlling factor for snowmelt runoff from an open site? What are the most important components in snowmelt runoff from forested areas?
Qual é o fator de controle do escoamento de derretimento de neve em um local aberto? Quais são os componentes mais importantes no escoamento de derretimento das áreas florestais?
What is a degree-day? What is the degree-day factor?
O que é um grau-dia? Qual é o fator grau-dia?
What is ripening of the snowpack?
O que é o amadurecimento da neve?
How many types of water exist in the snowpack? Explain.
Quantos tipos de água existem na neve? Explicar.
Describe the elevation-band method for determining spring snowmelt runoff hydrographs.
Descreva o método da banda de elevação para determinar os hidrogramas do escoamento de neve derretido na primavera.
PROBLEMAS
|
|
Calculate the daily snowmelt rate for a snowpack of 95% thermal quality subject to a snowmelt heat equivalent of 570 ly/d.
Calcule a taxa diária de derretimento de neve para um pacote de neve com qualidade térmica de 95%, sujeito a um calor equivalente a 570 ly / d.
Calculate the shortwave radiation snowmelt for a snow-covered site with insolation under clear sky 590 ly/d, cloud cover coefficient 0.8, forest transmission coefficient 0.9, snow surface albedo 0.7, and thermal quality of the snowpack 97%.
Calcule o derretimento da radiação de ondas curtas para um local coberto de neve com insolação sob céu claro 590 ly / d, coeficiente de cobertura de nuvens 0,8, coeficiente de transmissão da floresta 0,9, albedo na superfície da neve 0,7 e qualidade térmica do snowpack 97%.
The following mean daily temperatures (in degrees Celsius) were measured in a snowcovered forest site during a certain week: Monday, 10°C; Tuesday, 11°C; Wednesday, °C;Thursday, 13°C; Friday, 12°C; Saturday, 14°C, and Sunday, 11°C. Calculate the melt for a degree-day factor of 0.25 cm/(°C;-d). Assume a temperature base of O°C.
As seguintes temperaturas médias diárias (em graus Celsius) foram medidas em um local coberto de neve durante uma determinada semana: segunda-feira, 10 ° C; Terça-feira, 11 ° C; Quarta-feira, ° C, quinta-feira, 13 ° C; Sexta-feira, 12 ° C; Sábado, 14 ° C, e domingo, 11 ° C. Calcule a fusão para um fator dia-grau de 0,25 cm / (° C; -d). Assuma uma temperatura base de O ° C.
The following mean monthly temperatures have been recorded in a snow-covered forest site during the spring: April, 44°F; May, 52°F; and June, 60°F. The snowpack water equivalent at the end of March is 36 in. Assuming a degree-day factor of 0.04 in./(0°F-d), determine the potential snowmelt during the 3-month period. Compare this potential snowmelt value with the water equivalent at the end of the snowfall season (assume end of March) to determine whether there is any melt in Mayor June. Assume a temperature base of 32°F.
As seguintes temperaturas médias mensais foram registradas em um local de floresta coberta de neve durante a primavera: abril, 44 ° F; Maio, 52 ° F; e junho, 60 ° F. A água equivalente à neve acumulada no final de março é de 36 pol. Supondo um fator grau-dia de 0,04 pol./(0°F-d), determine o derretimento potencial da neve durante o período de três meses. Compare esse valor potencial de derretimento da neve com o equivalente de água no final da temporada de queda de neve (suponha o final de março) para determinar se há derretimento no prefeito junho. Suponha uma temperatura base de 32 ° F.
Compute basin snowmelt using a generalized snowmelt equation for the following data: forested area; wind speed at 50-ft above the snow surface, v = 30 mph; air temperature at a 10-ft height, 65°F; dew point temperature at 10 ft height, 50°F; snow surface temperature, 32°F; and basin factor k = 0.4.
Calcular o degelo da bacia usando uma equação generalizada do degelo para os seguintes dados: área florestal; velocidade do vento a 50 pés acima da superfície da neve, v = 30 mph; temperatura do ar a uma altura de 10 pés, 65 ° F; temperatura do ponto de orvalho a 10 pés de altura, 50 ° F; temperatura da superfície da neve, 32 ° F; e fator de bacia k = 0,4.
Compute basin snowmelt using a generalized snowmelt equation applicable for rainfall periods for the following data: heavily forested area; temperature of saturated air at a 10-ft height, Ta = 60°F; and rainfall rate Pr = 1.5 in./d.
Calcular o derretimento da bacia usando uma equação generalizada do derretimento da neve aplicável a períodos de chuva para os seguintes dados: área fortemente arborizada; temperatura do ar saturado a uma altura de 10 pés, Ta = 60 ° F; e taxa de precipitação Pr = 1,5 pol./d.
Given the following area-elevation data and daily rainfall, snowmelt, and losses for a certain basin, use the elevation-band method to compute the excess basin water available for runoff.
Dados os seguintes dados de elevação da área e precipitação diária, derretimento da neve e perdas para uma determinada bacia, use o método da banda de elevação para calcular o excesso de água da bacia disponível para o escoamento.
Elevation
Band (m)Subarea
(km2)Rainfall
(cm/d)Snowmelt
(cm/d)Losses
(cm/d)2000 - 2500 150 4 0 3 2500 - 3000 100 5 4 2 3000 - 3500 50 6 2 1 Given the following area-elevation data for a certain basin, use the rational method to compute the excess basin water available for runoff. Assume snow line at elevation 2200 m; melt line at elevation 2600 m; mean basin rainfall, 7 cm/d; snowmelt, 3 cm/d; and mean basin losses, 2 cm/d.
Dados os seguintes dados de elevação de área para uma determinada bacia, use o método racional para calcular o excesso de água da bacia disponível para escoamento. Assuma a linha de neve em altitude 2200 m; linha de derretimento na elevação 2600 m; precipitação média na bacia, 7 cm / d; derretimento da neve, 3 cm / d; e perdas médias na bacia, 2 cm / d.
Elevation (m) 2000 2200 2400 2600 2800 3000 Cumulative Area (km2) 0 450 630 730 800 840 Given the following area-elevation data for a certain basin, use the rational method to compute the excess basin water available for runoff. Assume snow line at elevation 5000 ft; melt line at elevation 6000 ft; mean basin rainfall, 2 in./d; mean basin losses, 0.5 in./d; degree-day factor 0.075 in./(0°-d); temperature at the index station at elevation 5500 ft, 42°F; and a temperature gradient of -10°F per 500-ft increase in elevation.
Dados os seguintes dados de elevação de área para uma determinada bacia, use o método racional para calcular o excesso de água da bacia disponível para escoamento. Assuma a linha de neve em altitude 5000 ft; linha de fusão na elevação 6000 pés; precipitação média na bacia, 2 pol./d; perdas médias na bacia, 0,5 pol./d; fator grau-dia 0,075 pol./(0°-d); temperatura na estação de indexação à altitude 5500 pés, 42 ° F; e um gradiente de temperatura de -10 ° F por aumento de 500 pés na elevação.
Elevation (ft) 4500 5000 5500 6000 6500 Cumulative Area (mi2) 0 500 900 1200 1400 Using Fig. 12-8, determine the mean basin melt rate for the Boise River Basin above Twin Springs, Idaho, for the following conditions: (a) mean air temperature of 55°F and snow line at elevation 5500 ft; and (b) mean air temperature of 65°F and snow line at elevation 7000 ft.
Using Fig. 12-8, determine the mean basin melt rate for the Boise River Basin above Twin Springs, Idaho, for the following conditions: (a) mean air temperature of 55°F and snow line at elevation 5500 ft; and (b) mean air temperature of 65°F and snow line at elevation 7000 ft.
REFERÊNCIAS
|
|
Bruce, J. P., and R. H. Clark. (1966). Introduction to Meteorology. London: Pergamon Press.
Clyde, G. D. (1931). "Snow Melting Characteristics," Bulletin No. 231, Utah Agricultural Experiment Station, Aug.
Church, J. E. (1941). "The Melting of Snow," Proceedings. Central Snow Conference, Vol. 1, Dec., pp. 21-32.
Gray, D. M., and D. H. Male. (1981). Handbook of Snow. Toronto: Pergamon Press.
Haurwitz, B. (1948). "Insolation in Relation to Cloud Type," Journal of Meteorology. Vol. 5, No.3, June, pp. 110-113.
Horton, R. E. (1915). "The Melting of Snow," Monthly Weather Review. Vol. 43, No. 12, Dec., pp. 599-605.
Meiman, J. R. (1970). "Snow Accumulation Related to Elevation, Aspect and Forest Canopy," Proceedings. Workshop and Seminar in Snow Hydrology. Ottawa: Queen Printers of Canada, pp. 35-47.
Rhea, J. 0., and L. O. Grant. (1974). "Topographic Influences on Snowfall Patterns in Mountainous Terrain," in Advanced Concepts and Techniques in the Study of Snow and Ice Resources. National Academy of Sciences, Washington, DC.
Spreen, W. C. (1947). "A Determination of the Effect of Topography Upon Precipitation," Transactions. American Geophysical Union. Vol. 28, No.2, April, pp. 285-290.
U.S. Army Corps of Engineers, North Pacific Division. (1956). "Snow Hydrology, Summary Report of the Snow Investigations," Portland, Oregon, June.
U.S. Army Engineer, North Pacific Division. (1986). "Program Description and User Manual for SSARR Model, Streamflow Synthesis and Reservoir Regulation," Portland, Oregon, Draft, April.
Wilson, W. T. (1941). "An Outline of the Thermodynamics of Snowmelt," Transactions. American Geophysical Union, Part I, pp. 182-195.
Gray, D. M., and D. H. Male. (1981). Handbook of Snow. Toronto: Pergamon Press.
National Academy of Sciences. (1974). Advanced Concepts and Techniques in the Study of Snow and Ice Resources. Washington, DC.
U.S. Army Corps of Engineers, North Pacific Division. (1956). "Snow Hydrology, Summary Report of the Snow Investigations," Portland, Oregon, June.
| http://ponce.sdsu.edu/hidrologia_engenharia/index.html |
|
200728 |