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Self-Similarity of Wind Profiles in Blowing Snow Allows Outdoor Modeling

Published online by Cambridge University Press:  20 January 2017

Ronald D. Tabler*
Affiliation:
Rocky Mountain Forest and Range Experiment Station, U.S. Department of Agriculture Forest Service, Laramie, Wyoming 82070, U.S.A.
Rights & Permissions [Opens in a new window]

Abstract

Drifts formed by snow fences appear to be scaled in proportion to fence height over a height range of nearly two orders of magnitude. This paper examines natural scaling in terms of commonly accepted similitude criteria. It is suggested that requirements for dynamic similarity of flow fields are satisfied over a period of time because surface roughness height z0 varies approximately as the square of shear velocity u⋆2 for saltating flows in air. This is demonstrated by intensive measurements of wind profiles over snow and ice surfaces. Satisfaction of similitude requirements for scaling particle motion is less certain, although natural sorting may effectively scale particles over a restricted range of wind speeds. Natural scaling of drifts suggests snow erosion and deposition can be studied with reduced-scale models on smooth surfaces outdoors. The feasibility of this technique is demonstrated by results from 1 : 30 scale models of 1.8 and 3.8 m snow fences on both level lake ice and irregular terrain constructed from compacted snow.

Résumé

Résumé

Les congères formées par les barrières à neige semblant être dimensionnées proportionnellement à la hauteur de la barrière sur une large gamme de hauteurs s’étalant sur près de deux ordres de grandeur. Cet article examine les dimensions observées d’après les critères de similitude généralement admis. On fait l’hypothèse que les exigences pour une similitude dynamique sont satisiaites sur une période de temps puisque la hauteur z0 de la rugosité de surface varie approximativement comme le carré de la vitesse de cisaillement u⋆2 de l’écoulement de saltation dans l’air. Ceci est démontré par de nombreuses mesures de profils de vent sur les surfaces de neige et glace. La satisfaction des exigences de la similitude pour les paramètres du mouvement des particules est moins évidente bien qu’un tri naturel puisse effectivement déterminer la taille des particules dans une gamme restreinte dé vitesses de vent. Le dimensionnement naturel des congères fait penser que l’érosion et le dépôt de la neige peut être étudié sur modèle réduit sur des surfaces lisses en plein air. La “faisabilité” de cette technique est démontrée par les résultats obtenus sur des modèles au 1/30 de barrières à neige de 1,8 et 3,8 m installées d'une part sur de la glace de lac horizontale et d’autre part sur neige compactée en terrain irrégulier.

Zusammenfassung

Zusammenfassung

Die Dimensionen von Driftablagerungen an Schneezäunen scheinen in Proportion zur Zaunhöhe zu stehen, und zwar über einen Höhenberetch von fast zwei Grössenordnungen. Diese Arbeit untersucht die Möglichkeit von Modellversuchen in der freien Natur unter Berücksichtigung der gewöhnlich als gültig angenommenen Ähnlichkcits- kritericn. Es wird angenommen, dass die Voraussetzungen für die dynamische Ähnlichkeit von Stromfeldern über einen längeren Zeitabschnitt erfüllt sind, da die Höhe der Oberflächenrauhigkeit z0 sich annähernd mit dem Quadrat der Schergeschwindigkeit u⋆2 für sprungveise Transport ändert. Dies wird durch intensive Messungen von Windprofilen über Schnee– und Eisflächen gezeigt. Die Erfüllung der Ähnlichkeitsforderungen bei Modellversuchen zur Bewegung von Teilchen ist weniger gesichert, obwoht die natürliche Sortierung den Grössenbereich der Teilchen über einen beschränkten Bereich von Windgeschwindigkeiten wirksam imitieren dürfte. Die natürliche Driftbemessung lässt erwarten, dass Schneeerosion und -ablagerung mit masstäblich verkleinerten Modellen auf glatten Oberflächen im Freien untersucht werden kann Die Anwendbarkeit dieser Technik wird durch Ergebnisse an Modellen von 1,8 und 3,8 m hohen Schneezäunen un Masstab 1 : 30 sowohl über ebenem Seeeis wie über unregelmässigem Gelände, hergestellt aus kompaktem schnee, erwiesen.

Information

Type
Research Article
Copyright
Copyright © The Author(s) 1980 
Figure 0

Fig. 1.1/30 scale model snow fences on Diamond Lake, 30 January 1979. A portion of the 10 m wind-profile mast can be seen in the background.

Figure 1

Fig. 2.Roughness height Z0 in Equation (1) as a Junction of shear velocity u⋆for three categories of snow cover on Diamond Lake. Bars represent 95% confidence intervals about the geometric means of z0for 5 cm/s u⋆ classes. Bagnold’s (1954) equation is plotted with k’ = 0.30 cm and u τ= 230 cm/s.

Figure 2

Fig. 3.Shear velocity u⋆ as a function of 10 m wind speed, for three categories of snow cover on Diamond Lake. Bars show 95% confidence intervals about means for 2 m/s U10 classes.

Figure 3

Table I.Estimates for parameters in emprical relationships between z0,u⋆, and U10 > 8m/s

Figure 4

Fig. 4.Snow profile of drifts behindfull-scale snow fences, at maximum accumulation. Data are from the Interstate Highway 80 snow-fence system between Laramie and Walcott, Wyoming.

Figure 5

Fig. 5.Comparison of drifts behind 1/30 scale model snow fences on lake ice, with the polynomial equation fitted to the full-scale data of Figure 4.

Figure 6

Table II.Wind-profile parameters for model runs and estimates for prototype wind

Figure 7

Fig. 6.Stages in snow accumulation behind a 2.44 m full-scale fence, and a 12.4 cm, 1/30 scale model simulating a 3.8 m structure.

Figure 8

Fig. 7.Equilibrium drift profile for a 1/30 scale model of cross-section at Mile 253.4, Interstate Highway 80 (Wyoming). Model terrain was constructed on lake ice from compacted snow. Full-scale measurements near the end of an unusually severe winter are shown for comparison.