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Snow–Pack Structure: Stability Analyzed by Pattern–Recognition Techniques

Published online by Cambridge University Press:  20 January 2017

Edward R. LaChapelle
Affiliation:
Geophysics Program and Department of Atmospheric Sciences, University of Washington, Seattle, Washington 98195, U.S.A.
Sue A. Ferguson
Affiliation:
Geophysics Program and Department of Atmospheric Sciences, University of Washington, Seattle, Washington 98195, U.S.A.
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Abstract

Internal snow–cover structure depicted by conventional snow profiles is commonly held to be important for avalanche forecasting but it is largely omitted from numerical forecasting schemes owing to quantification difficulties. A subjective test given to practising forecasters illustrated the complex roles of measured profile parameters in describing instability. A clustering technique of pattern recognition, after introducing a snow–profile training set, has demonstrated an objective ability to sort correctly 86% of the layer boundaries associated with slab–avalanche bed surfaces or lubricating layers. Further improvement in stability recognition comes from a newly devised shear test driven by a wedge which quickly locates failure planes within the snow cover. The cluster analysis is then able to sort with similar accuracy between stable and unstable (avalanching) failure planes so located.

Résumé

Résumé

La structure interne du manteau neigeux caractérisée par des profils conventionnels de battage est généralement considérée comme un élément important pour la prévision des avalanches mais est fréquemment omise dans les schémas de prévision numériques en raison de la difficulté de les quantifier. Un test subjectif, auquel on a soumis des prévisionistes praticiens, illustre le rôle complexe des paramètres mesurés d’un profil dans la description de l’instabilité. Une technique automatique de reconnaissances de formes, après introduction d’un ensemble de profils de neige d’entraînement, a prouvé une possibilité objective de reconnaître correctement 86% des limites des couches servant de plan de glissement d’avalanches de plaques ou de niveau de lubrification. De nouvelles améliorations dans la reconnaissance de la stabilité sont apportées par un dispositif de mesure du cisaillement récemment mis au point, constitué par un coin qui repère rapidement les plans de rupture à l’intérieur du manteau neigeux. L’analyse automatique est alors capable de reconnaître, avec une précision analogue, les plans de rupture stables ou instables (avalancheux) ainsi localisés.

Zusammenfassung

Zusammenfassung

Die innere Struktur der Schneedecke, ermittelt aus konventionellen Schneeprofilen, wird gewöhnlich als wesentlich für die Lawinenvorhersage angesehen, bleibt aber infolge von Schwierigkeiten in der Quantifizierung bei numerischen Vorhersageverfahren weitgehend unberücksichtigt. Ein subjektiver Test mit Vorhersagepraktiken erwies die komplexe Rolle von gemessenen Profilparametern bei der Beschreibung der Instabilität. Eine Cluster–Technik der Mustererkennung eröffnete nach Einführung eines Trainingssatzes von Schneeprofilen einen objektiven Weg zur mit 86% richtigen Aussonderung jener Schichtgrenzen, die mit der Auflagefläche von Schneebrettern oder mit Schmierschichten verknüpft sind. Eine weitere Verbesserung in der Stabilitätsanalyse ist von einem neu entwickelten Schertest zu erwarten, der einen Keil zur schnellen Lokalisierung von Ebenen grosser Nachgiebigkeit in der Schneedecke benutzt. Die Clusteranalyse ist dann in der Lage, mit ähnlicher Genauigkeit zwischen stabilen und instabilen (Lawinen verursachenden) Nachgiebigkeitsebenen zu unterscheiden, die so gefunden wurden.

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Copyright © The Author(s) 1980 
Figure 0

Fig. 1.Fracture–line profile–test results. A, B, C, D, and E contain profiles from the Wasatch Mountains in Utah, Swiss Alps, Washington Cascades, Canadian Rockies, and the Colorado Rockies, respectively. The dashed lines separate people with experience in Colorado, Idaho, and Wyoming (CIW), Washington (W), Utah (U), and California, New Mexico, and Arizona (CNA).

Figure 1

TABEL ISnow–profile measurement parameters and their combinations used in the cluster analysis. The top layer (T) and the bottom layer (B) are those layers adjacent to a real or potential bed Surface and Lie Directly Above and Below it, respectively

Figure 2

Fig. 2.First data feature (B-density, T-shear stress, T-density, B-temperature,…) of all the measurement parameters versus the second data feature (B-ram resistance, T-ram resistance, T-crystal type, T-hand test, …). Unstable snow layers (1) and stable snow layers (2) are shown.

Figure 3

Fig. 3.First data feature (B-shear stress, T-shear stress, B-density, T-density,) of the measurement parameters, excluding crystal type, and the hand test versus the second data feature (B-ram resistance, T-ram resistance, …). Unstable snow layers (1) and stable snow layers (2) are shown.

Figure 4

Fig. 4.A snow wedge vertically driven into the backside of a snow column to find failure planes within a snow–pack. The slope angle is θ and the wedge angle is β.