Using ground penetrating radar to assess the variability of snow water equivalent and melt in a mixed canopy forest, Northern Colorado

Abstract

Snow is an important environmental variable in headwater systems that controls hydrological processes such as streamflow, groundwater recharge, and evapotranspiration. These processes will be affected by both the amount of snow available for melt and the rate at which it melts. Snow water equivalent (SWE) and snowmelt are known to vary within complex subalpine terrain due to terrain and canopy influences. This study assesses this variability during the melt season using ground penetrating radar to survey multiple plots in northwestern Colorado near a snow telemetry (SNOTEL) station. The plots include south aspect and flat aspect slopes with open, coniferous (subalpine fir,Abies lasiocarpa and engelman spruce, Picea engelmanii), and deciduous (aspen, populous tremuooides) canopy cover. Results show the high variability for both SWE and loss of SWE during spring snowmelt in 2014. The coefficient of variation for SWE tended to increase with time during snowmelt whereas loss of SWE remained similar. Correlation lengths for SWE were between two and five meters with melt having correlation lengths between two and four meters. The SNOTEL station regularly measured higher SWE values relative to the survey plots but was able to reasonably capture the overall mean loss of SWE during melt. Ground Penetrating Radar methods can improve future investigations with the advantage of non-destructive sampling and the ability to estimate depth, density, and SWE.

Keywords

headwaters / snowmelt / snow water equivalent / ground penetrating rdar / SNOTEL

References

[1] Adam J C, Hamlet  A F, Lettenmaier  D P (2009). Implications of global climate change for snowmelt hydrology in the twenty-first century. Hydrol Processes, 23(7): 962–972

[2] Andreadis K M ,  Storck P ,  Lettenmaier D P  (2009). Modeling snow accumulation and ablation processes in forested environments. Water Resour Res, 45(5) 

[3] Bales R C, Hopmans  J W, O’Geen  A T, Meadows  M, Hartsough P C ,  Kirchner P ,  Hunsaker C T ,  Beaudette D  (2011). Soil moisture response to snowmelt and rainfall in a Sierra Nevada mixed-conifer forest. Vadose Zone J, 10(3): 786–799

[4] Bales R C, Molotch  N P, Painter  T H, Dettinger  M D, Rice  R, Dozier J  (2006). Mountain hydrology of the western United States. Water Resour Res, 42(8): W08432

[5] Blöschl G (1999). Scaling issues in snow hydrology. Hydrol Processes, 13(14–15): 2149–2175

[6] Blöschl G, Kirnbauer  R (1992). An analysis of snow cover patterns in a small alpine catchment. Hydrol Processes, 6(1): 99–109

[7] Broxton P D, Harpold  A A, Biederman  J A, Troch  P A, Molotch  N P, Brooks  P D (2015). Quantifying the effects of vegetation structure on snow accumulation and ablation in mixed-conifer forests. Ecohydrology, 8(6): 1073–1094

[8] Cao J, Liu  C, Zhang W  (2012). Response of rock-fissure seepage to snowmelt in Mount Taihang slope-catchment, North China. Water Sci Technol, 67(1): 124–130

[9] Clark M P, Hendrikx  J, Slater A G ,  Kavetski D ,  Anderson B ,  Cullen N ,  Kerr T, Örn Hreinsson  E, Woods R A  (2011). Representing spatial variability of snow water equivalent in hydrologic and land-surface models: a review. Water Resour Res, 47(7): W07539

[10] Clilverd H M, White  D M, Tidwell  A C, Rawlins  M A (2011). Sensitivity of northern groundwater recharge to climate change: a case study in Northwest Alaska. Journal of the American Water Resources Association, 47(6): 1228–1240 

[11] Cline D, Yueh  S, Chapman B ,  Stankov B ,  Gasiewski A ,  Masters D ,  Elder K ,  Kelly R ,  Painter T H ,  Miller S ,  Katzberg S ,  Mahrt L  (2009). NASA Cold Land Processes Experiment (CLPX 2002/03): airborne remote sensing. J Hydrometeorol, 10(1): 338–346

[12] Clow D W (2010). Changes in the timing of snowmelt and streamflow in Colorado: a response to recent warming. J Clim, 23(9): 2293–2306

[13] Daly S F, Davis  R, Ochs E ,  Pangburn T  (2000). An approach to spatially distributed snow modelling of the Sacramento and San Joaquin basins, California. Hydrol Processes, 14(18): 3257–3271

[14] Ebel B A, Hinckley  E S, Martin  D A (2012). Soil-water dynamics and unsaturated storage during snowmelt following wildfire. Hydrol Earth Syst Sci, 16(5): 1401–1417

[15] Eiriksson D, Whitson  M, Luce C H ,  Marshall H P ,  Bradford J ,  Benner S G ,  Black T ,  Hetrick H ,  McNamara J P  (2013). An evaluation of the hydrologic relevance of lateral flow in snow at hillslope and catchment scales. Hydrol Processes, 27(5): 640–654

[16] Elder K, Cline  D, Liston G E ,  Armstrong R  (2009). NASA Cold Land Processes Experiment (CLPX 2002/03): field measurements of snowpack properties and soil moisture. J Hydrometeorol, 10(1): 320–329

[17] Elder K, Dozier  J, Michaelsen J  (1991). Snow accumulation and distribution in an Alpine watershed. Water Resour Res, 27(7): 1541–1552

[18] Fang S, Xu  L, Zhu Y ,  Liu Y, Liu  Z, Pei H ,  Yan J, Zhang  H (2015). An integrated information system for snowmelt flood early-warning based on internet of things. Inf Syst Front, 17(2): 321–335

[19] Fassnacht S R ,  Cherry M L ,  Venable N B H ,  Saavedra F  (2016). Snow and albedo climate change impacts across the United States Northern Great Plains. Cryosphere, 10(1): 329–339

[20] Fassnacht S R ,  Derry J E  (2010). Defining similar regions of snow in the Colorado River Basin using self-organizing maps. Water Resour Res, 46(4): W04507

[21] Fassnacht S R ,  Hultstrand M  (2015). Snowpack variability and trends at long-term stations in northern Colorado, USA. International Association of Hydrological Sciences, 92: 1–6 

[22] Fassnacht S R ,  Williams S R ,  Corrao M V  (2009). Changes in the surface roughness of snow from millimetre to metre scales. Ecol Complex, 6(3): 221–229

[23] Flint A L, Flint  L E, Dettinger  M D (2008). Modeling soil moisture processes and recharge under a melting snowpack. Vadose Zone J, 7(1): 350–357

[24] Granlund N, Lundberg  A, Feiccabrino J ,  Gustafsson D  (2009). Laboratory test of snow wetness influence on electrical conductivity measured with ground penetrating radar. Hydrol Res, 40(1): 33–44

[25] Graybeal D, Leathers  D (2006). Snowmelt-related flood risk in Appalachia: first estimates from a historical snow climatology. J Appl Meteorol Climatol, 45(1): 178–193

[26] Gusmeroli A, Grosse  G (2012). Ground penetrating radar detection of subsnow slush on ice-covered lakes in interior Alaska. Cryosphere, 6(6): 1435–1443

[27] Harpold A, Brooks  P, Rajagopal S ,  Heidbuchel I ,  Jardine A ,  Stielstra C  (2012). Changes in snowpack accumulation and ablation in the intermountain west. Water Resour Res, 48(11): W11501

[28] Harpold A A, Biederman  J A, Condon  K, Merino M ,  Korgaonkar Y ,  Nan T, Sloat  L L, Ross  M, Brooks P D  (2014). Changes in snow accumulation and ablation following the Las Conchas Forest Fire, New Mexico, USA. Ecohydrology, 7(2): 440–452

[29] Harpold A A, Molotch  N P, Musselman  K N, Bales  R C, Kirchner  P B, Litvak  M, Brooks P D  (2015). Soil moisture response to snowmelt timing in mixed-conifer subalpine forests. Hydrol Processes, 29(12): 2782–2798

[30] Heilig A, Mitterer  C, Schmid L ,  Wever N ,  Schweizer J ,  Marshall H P ,  Eisen O  (2015). Seasonal and diurnal cycles of liquid water in snow-Measurements and modeling. J Geophys Res Earth Surf, 120(10): 2139–2154

[31] Heilig A, Schneebeli  M, Eisen O  (2009). Upward-looking ground-penetrating radar for monitoring snowpack stratigraphy. Cold Reg Sci Technol, 59(2‒3): 152–162

[32] Jencso K, McGlynn  B, Gooseff M ,  Wondzell S ,  Bencala K ,  Marshall L  (2009). Hydrologic connectivity between landscapes and streams: transferring reach-and plot-scale understanding to the catchment scale. Water Resour Res, 45(4): W04428

[33] Jencso K G, McGlynn  B L (2011). Hierarchical controls on runoff generation: topographically driven hydrologic connectivity, geology, and vegetation. Water Resour Res, 47(11): W11527

[34] Johnson J B, Schaefer  G L (2002). The influence of thermal, hydrologic, and snow deformation mechanisms on snow water equivalent pressure sensor accuracy. Hydrol Processes, 16(18): 3529–3542

[35] Litaor M I, Williams  M, Seastedt T R  (2008). Topographic controls on snow distribution, soil moisture, and species diversity of herbaceous alpine vegetation, Niwot Ridge, Colorado. J Geophys Res, 113(G2): G02008

[36] Liu F, Williams  M W, Caine  N (2004). Source waters and flow paths in an alpine catchment, Colorado Front Range, United States. Water Resour Res, 40(9): W09401

[37] López-Moreno J ,  Fassnacht S ,  Heath J ,  Musselman K ,  Revuelto J ,  Latron J ,  Moran-Tejeda E ,  Jonas T  (2013). Small scale spatial variability of snow density and depth over complex alpine terrain: implications for estimating snow water equivalent. Adv Water Resour, 55: 40–52

[38] López-Moreno J I ,  Fassnacht S R ,  Beguería S ,  Latron J B P  (2011). Variability of snow depth at the plot scale: implications for mean depth estimation and sampling strategies. Cryosphere, 5(3): 617–629

[39] López-Moreno J I ,  Latron J  (2008). Influence of canopy density on snow distribution in a temperate mountain range. Hydrol Processes, 22(1): 117–126

[40] Lundberg A, Ala-Aho  P, Eklo O ,  Klove B ,  Kvaerner J ,  Stumpp C  (2016). Snow and frost: implications for spatiotemporal infiltration patterns–A review. Hydrol Processes, 30(8): 1230–1250

[41] Lundberg A, Richardson-Naslund  C, Andersson C  (2006). Snow density variations: consequences for ground-penetrating radar. Hydrol Processes, 20(7): 1483–1495

[42] Lundquist J, Cayan  D (2002). Seasonal and spatial patterns in diurnal cycles in streamflow in the western United States. J Hydrometeorol, 3(5): 591–603

[43] Lundquist J, Dettinger  M, Cayan D  (2005). Snow-fed streamflow timing at different basin scales: case study of the Tuolumne River above Hetch Hetchy, Yosemite, California. Water Resour Res, 41(7): W07005

[44] Magnusson J, Kobierska  F, Huxol S ,  Hayashi M ,  Jonas T ,  Kirchner J W  (2014). Melt water driven stream and groundwater stage fluctuations on a glacier forefield (Dammagletscher, Switzerland). Hydrol Processes, 28(3): 823–836

[45] McNamara J P, Chandler  D, Seyfried M ,  Achet S  (2005). Soil moisture states, lateral flow, and streamflow generation in a semi-arid, snowmelt-driven catchment. Hydrol Processes, 19(20): 4023–4038

[46] Mitterer C, Heilig  A, Schweizer J ,  Eisen O  (2011). Upward-looking ground-penetrating radar for measuring wet-snow properties. Cold Reg Sci Technol, 69(2‒3): 129–138

[47] Moeser D, Mazzotti  G, Helbig N ,  Jonas T  (2016). Representing spatial variability of forest snow: implementation of a new interception model. Water Resour Res, 52(2): 1208–1226

[48] Molotch N P, Brooks  P D, Burns  S P, Litvak  M, Monson R K ,  McConnell J R ,  Musselman K  (2009). Ecohydrological controls on snowmelt partitioning in mixed-conifer sub-alpine forests. Ecohydrology, 2(2): 129–142

[49] Molotch N P, Colee  M T, Bales  R C, Dozier  J (2005). Estimating the spatial distribution of snow water equivalent in an alpine basin using binary regression tree models: the impact of digital elevation data and independent variable selection. Hydrol Processes, 19(7): 1459–1479

[50] Molotch N P, Meromy  L (2014). Physiographic and climatic controls on snow cover persistence in the Sierra Nevada Mountains. Hydrol Processes, 28(16): 4573–4586

[51] Musselman K N ,  Molotch N P ,  Brooks P D  (2008). Effects of vegetation on snow accumulation and ablation in a mid-latitude sub-alpine forest. Hydrol Processes, 22(15): 2767–2776

[52] Musselman K N ,  Molotch N P ,  Margulis S A ,  Kirchner P B ,  Bales R C  (2012). Influence of canopy structure and direct beam solar irradiance on snowmelt rates in a mixed conifer forest. Agric Meteorol, 161: 46–56

[53] Mutzner R, Weijs  S, Tarolli P ,  Calaf M ,  Oldroyd H ,  Parlange M  (2015). Controls on the diurnal streamflow cycles in two subbasins of an alpine headwater catchment. Water Resour Res, 51(5): 3403–3418

[54] Previati M, Godio  A, Ferraris S  (2011). Validation of spatial variability of snowpack thickness and density obtained with GPR and TDR methods. J Appl Geophys, 75(2): 284–293

[55] Rice R, Bales  R C, Painter  T H, Dozier  J (2011). Snow water equivalent along elevation gradients in the Merced and Tuolumne River basins of the Sierra Nevada. Water Resour Res, 47(8): W08515

[56] Richer E E, Kampf  S K, Fassnacht  S R, Moore  C C (2013). Spatiotemporal index for analyzing controls on snow climatology: application in the Colorado Front Range. Phys Geogr, 34(2): 85–107

[57] Schmid L, Koch  F, Heilig A ,  Prasch M ,  Eisen O ,  Mauser W ,  Schweizer J  (2015). A novel sensor combination (upGPR-GPS) to continuously and nondestructively derive snow cover properties. Geophys Res Lett, 42(9): 3397–3405

[58] Sexstone G A, Fassnacht  S R (2014). What drives basin scale spatial variability of snowpack properties in northern Colorado? Cryosphere, 8(2): 329–344

[59] Seyfried M S, Grant  L E, Marks  D, Winstral A ,  McNamara J  (2009). Simulated soil water storage effects on streamflow generation in a mountainous snowmelt environment, Idaho, USA. Hydrol Processes, 23(6): 858–873

[60] Singh K K, Datt  P, Sharma V ,  Ganju A ,  Mishra V D ,  Parashar A ,  Chauhan R  (2011). Snow depth and layer interface estimation using Ground Penetrating Radar. Curr Sci, 100(10): 1532–1539

[61] Sommerfeld R A ,  Bales R C ,  Mast A (1994). Spatial statistics of snowmelt flow-data from lysimeters and aerial Photos. Geophys Res Lett, 21(25): 2821–2824

[62] Staples J M, Adams  E E, Slaughter  A E, McKittrick  L R (2006). Slope scale modeling of snow surface temperature in topographically complex terrain. In: Proceedings of 2006 International Snow Science Workshop: 806–814

[63] Storck P, Lettenmaier  D P, Bolton  S M (2002). Measurement of snow interception and canopy effects on snow accumulation and melt in a mountainous maritime climate, Oregon, United States. Water Resour Res, 38(11): 1223

[64] USGS (2015). 3DEP products and services: The national Map, 3D Elevation Program Web page. accessed (November, 2015), edited, http://nationalmap.gov/3dep_prodserv.html

[65] Varhola A, Coops  N C, Weiler  M, Moore R D  (2010). Forest canopy effects on snow accumulation and ablation: an integrative review of empirical results. J Hydrol (Amst), 392(3-4): 219–233

[66] Webb R W, Fassnacht  S R (2016). Snow density, snow depth, and soil moisture at Dry Lake study site in northern Colorado in 2014. Colorado State University, 

[67] Webb R W, Fassnacht  S R, Gooseff  M N (2015). Wetting and drying variability of the shallow subsurface beneath a snowpack in California’s Southern Sierra Nevada. Vadose Zone J, 14(8): doi: 10.2136/vzj2014.12.0182

[68] Williams C J, McNamara  J P, Chandler  D G (2009a). Controls on the temporal and spatial variability of soil moisture in a mountainous landscape: the signature of snow and complex terrain. Hydrol Earth Syst Sci, 13(7): 1325–1336

[69] Williams M W, Seibold  C, Chowanski K  (2009b). Storage and release of solutes from a subalpine seasonal snowpack: soil and stream water response, Niwot Ridge, Colorado. Biogeochemistry, 95(1): 77–94

[70] Williams M W, Sommerfeld  R, Massman S ,  Rikkers M  (1999). Correlation lengths of meltwater flow through ripe snowpacks, Colorado Front Range, USA. Hydrol Processes, 13(12–13): 1807–1826

[71] Winkler R D, Spittlehouse  D L, Golding  D L (2005). Measured differences in snow accumulation and melt among clearcut, juvenile, and mature forests in southern British Columbia. Hydrol Processes, 19(1): 51–62

[72] Zhao Q, Liu  Z, Ye B ,  Qin Y, Wei  Z, Fang S  (2009). A snowmelt runoff forecasting model coupling WRF and DHSVM. Hydrol Earth Syst Sci, 13(10): 1897–1906

Acknowledgements

I would like to acknowledge Dr. Dennis Harry at Colorado State University who allowed me to borrow the Ground Penetrating Radar equipment and taught the course in geophysical methods that allowed me to interpret this data. This study would not have been possible otherwise. I would also like to recognize the two anonymous reviewers whose comments greatly improved the analysis and writing of this paper from its original version.

RIGHTS & PERMISSIONS

2017 Higher Education Press and Springer-Verlag Berlin Heidelberg