Published March 18, 2019 | Version v1
Publication Open

Flow Analysis at the Snow Covered High Altitude Catchment via Distributed Energy Balance Modeling

Creators

  • 1. University of Engineering and Technology Taxila

Description

Abstract Energy budget-based distributed modeling at high-altitude glacio-nival watersheds is essential to accurately describe hydrological processes and quantify the flow rates. In this study, SNOWPACK model and its distributed version Alpine3D are applied for the first time in Pakistan to simulate the runoff response of a high altitude glaciated catchment. The basic aim was to explore the feasibility of this modeling system and its future applications in the region. Final results demonstrated satisfactory performance of the model between measured and modeled discharges with Nash-Sutcliff Efficiency of 0.54. However, total simulated flow volume differs only 1.3 times as compared to measured discharge of the lake, located at the glacier snout. Flow composition analysis revealed that the runoff regime of the study site is strongly influenced by the snow and glacier melt runoff representing 53% snowmelt and 38% glacier melt contribution. Low model efficiency has been observed during glacier melting season due to inaccurate wind speed distribution and biased input met-data. It is concluded that high performance of this model can be achieved if the model is optimized over the catchment similar to the study site provided with long term data sets. This study leaves a firm foundation for the potential application of a highly accurate distributed energy balance model in the entire Karakoram and Himalaya region to understand the melt dynamics of such a rugged terrain glacier rich mountains.

⚠️ This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%

Translated Description (Arabic)

تعد النمذجة الموزعة على أساس ميزانية الطاقة في مستجمعات المياه الجليدية على ارتفاعات عالية ضرورية لوصف العمليات الهيدرولوجية بدقة وتحديد معدلات التدفق. في هذه الدراسة، يتم تطبيق نموذج الكتل الثلجية ونسخته الموزعة Alpine3D لأول مرة في باكستان لمحاكاة استجابة الجريان السطحي لمستجمعات المياه المتجمدة على ارتفاعات عالية. كان الهدف الأساسي هو استكشاف جدوى نظام النمذجة هذا وتطبيقاته المستقبلية في المنطقة. أظهرت النتائج النهائية أداءً مرضيًا للنموذج بين التصريفات المقاسة والمنمذجة مع كفاءة ناش- سوتكليف البالغة 0.54. ومع ذلك، يختلف إجمالي حجم التدفق المحاكى 1.3 مرة فقط مقارنة بالتصريف المقاس للبحيرة، الموجود عند خطم الأنهار الجليدية. كشف تحليل تكوين التدفق أن نظام الجريان السطحي لموقع الدراسة يتأثر بشدة بجريان ذوبان الثلوج والأنهار الجليدية الذي يمثل 53 ٪ من ذوبان الثلوج و 38 ٪ من مساهمة ذوبان الأنهار الجليدية. لوحظ انخفاض كفاءة النموذج خلال موسم ذوبان الأنهار الجليدية بسبب التوزيع غير الدقيق لسرعة الرياح والبيانات الوصفية للمدخلات المتحيزة. وخلص إلى أنه يمكن تحقيق أداء عالٍ لهذا النموذج إذا تم تحسين النموذج فوق مستجمع المياه على غرار موقع الدراسة المزود بمجموعات بيانات طويلة الأجل. تترك هذه الدراسة أساسًا متينًا للتطبيق المحتمل لنموذج توازن الطاقة الموزع عالي الدقة في منطقة كاراكورام وجبال الهيمالايا بأكملها لفهم ديناميكيات الذوبان لمثل هذه الجبال الجليدية الوعرة.

Translated Description (French)

Résumé La modélisation distribuée basée sur le budget énergétique dans les bassins versants glacio-nivaux de haute altitude est essentielle pour décrire avec précision les processus hydrologiques et quantifier les débits. Dans cette étude, le modèle de MANTEAU NEIGEUX et sa version distribuée Alpine3D sont appliqués pour la première fois au Pakistan pour simuler la réponse de ruissellement d'un bassin versant glaciaire de haute altitude. L'objectif principal était d'explorer la faisabilité de ce système de modélisation et ses futures applications dans la région. Les résultats finaux ont démontré des performances satisfaisantes du modèle entre les décharges mesurées et modélisées avec un rendement Nash-Sutcliff de 0,54. Cependant, le volume total de l'écoulement simulé ne diffère que de 1,3 fois par rapport au débit mesuré du lac, situé au niveau du museau du glacier. L'analyse de la composition de l'écoulement a révélé que le régime de ruissellement du site d'étude est fortement influencé par le ruissellement de la neige et de la fonte des glaciers, représentant 53 % de la fonte des neiges et 38 % de la contribution de la fonte des glaciers. Une faible efficacité du modèle a été observée pendant la saison de fonte des glaciers en raison d'une distribution inexacte de la vitesse du vent et de métadonnées d'entrée biaisées. Il est conclu que des performances élevées de ce modèle peuvent être obtenues si le modèle est optimisé sur le bassin versant de manière similaire au site d'étude fourni avec des ensembles de données à long terme. Cette étude laisse une base solide pour l'application potentielle d'un modèle de bilan énergétique distribué très précis dans toute la région du Karakoram et de l'Himalaya afin de comprendre la dynamique de la fonte d'un terrain montagneux aussi accidenté et riche en glaciers.

Translated Description (Spanish)

Resumen El modelado distribuido basado en el presupuesto de energía en cuencas hidrográficas glacio-nivales de gran altitud es esencial para describir con precisión los procesos hidrológicos y cuantificar los caudales. En este estudio, el modelo de capa de NIEVE y su versión distribuida Alpine3D se aplican por primera vez en Pakistán para simular la respuesta de escorrentía de una cuenca glaciar de gran altitud. El objetivo básico era explorar la viabilidad de este sistema de modelado y sus futuras aplicaciones en la región. Los resultados finales demostraron un rendimiento satisfactorio del modelo entre las descargas medidas y modeladas con una eficiencia de Nash-Sutcliff de 0.54. Sin embargo, el volumen total de flujo simulado difiere solo 1.3 veces en comparación con la descarga medida del lago, ubicado en el hocico del glaciar. El análisis de la composición del flujo reveló que el régimen de escorrentía del sitio de estudio está fuertemente influenciado por la escorrentía de derretimiento de nieve y glaciares que representa el 53% de derretimiento de nieve y el 38% de contribución de derretimiento de glaciares. Se ha observado una baja eficiencia del modelo durante la temporada de fusión de los glaciares debido a la distribución inexacta de la velocidad del viento y a los datos de entrada sesgados. Se concluye que se puede lograr un alto rendimiento de este modelo si el modelo se optimiza en la cuenca de manera similar al sitio de estudio provisto de conjuntos de datos a largo plazo. Este estudio deja una base firme para la posible aplicación de un modelo de balance de energía distribuido de alta precisión en toda la región del Karakórum y el Himalaya para comprender la dinámica de fusión de unas montañas tan escarpadas y ricas en glaciares.

Files

s41598-019-39446-1.pdf.pdf

Files (3.9 MB)

⚠️ Please wait a few minutes before your translated files are ready ⚠️ Note: Some files might be protected thus translations might not work.
Name Size Download all
md5:9fd8782b31660622aac3f67f7b18be37
3.9 MB
Preview Download

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
تحليل التدفق في مستجمعات المياه عالية الارتفاع المغطاة بالثلوج من خلال نمذجة توازن الطاقة الموزعة
Translated title (French)
Analyse du débit au niveau du bassin versant de haute altitude recouvert de neige via la modélisation du bilan énergétique distribué
Translated title (Spanish)
Análisis de flujo en la cuenca de gran altitud cubierta de nieve a través del modelado de balance energético distribuido

Identifiers

Other
https://openalex.org/W2922388223
DOI
10.1038/s41598-019-39446-1

Is supplement to
https://openalex.org/W4322001264 (Other)
https://openalex.org/W4214929258 (Other)
https://openalex.org/W3175094976 (Other)
https://openalex.org/W2997357263 (Other)
https://openalex.org/W2922388223 (Other)
https://openalex.org/W2768743699 (Other)
https://openalex.org/W2255611927 (Other)
https://openalex.org/W2060796599 (Other)
https://openalex.org/W2021658694 (Other)
https://openalex.org/W1982345790 (Other)

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
Pakistan

References

  • https://openalex.org/W1484996118
  • https://openalex.org/W1499472888
  • https://openalex.org/W1504592712
  • https://openalex.org/W1539898068
  • https://openalex.org/W1630283746
  • https://openalex.org/W1633240712
  • https://openalex.org/W1698479317
  • https://openalex.org/W1730404443
  • https://openalex.org/W1752626349
  • https://openalex.org/W1966296825
  • https://openalex.org/W1973200177
  • https://openalex.org/W1986383808
  • https://openalex.org/W1988048928
  • https://openalex.org/W1988180500
  • https://openalex.org/W1989873014
  • https://openalex.org/W1999814227
  • https://openalex.org/W2000841436
  • https://openalex.org/W2001833158
  • https://openalex.org/W2004280192
  • https://openalex.org/W2004369611
  • https://openalex.org/W2013319974
  • https://openalex.org/W2024733998
  • https://openalex.org/W2029397233
  • https://openalex.org/W2031507317
  • https://openalex.org/W2032866090
  • https://openalex.org/W2039890503
  • https://openalex.org/W2045927713
  • https://openalex.org/W2058587682
  • https://openalex.org/W2066907097
  • https://openalex.org/W2085585287
  • https://openalex.org/W2098810729
  • https://openalex.org/W2105757784
  • https://openalex.org/W2117532546
  • https://openalex.org/W2120895501
  • https://openalex.org/W2141421299
  • https://openalex.org/W2143872913
  • https://openalex.org/W2154810642
  • https://openalex.org/W2165774828
  • https://openalex.org/W2167176302
  • https://openalex.org/W2172201702
  • https://openalex.org/W2173640817
  • https://openalex.org/W2328452432
  • https://openalex.org/W2744186536
  • https://openalex.org/W2809208430
  • https://openalex.org/W28136723
  • https://openalex.org/W2888278184