Hostname: page-component-76d6cb85b7-dqfph Total loading time: 0 Render date: 2026-07-26T18:26:12.284Z Has data issue: false hasContentIssue false

Recent Developments of Avalanche Forecasting by Discriminant Analysis Techniques: A Methodological Review and Some Applications to the Parsenn Area (Davos, Switzerland)

Published online by Cambridge University Press:  20 January 2017

Charles Obled
Affiliation:
Institut de Mécanique, Groupe d'Hydrologie, 38041 Grenoble Cédex, France
Walter Good
Affiliation:
Eidg. Institut für Schnee- und Lawinenforschung, 7260 Weissfluhjoch/Davos, Switzerland
Rights & Permissions [Opens in a new window]

Abstract

Different statistical methods have been tested to answer the challenging problem of forecasting avalanche activity. For each approach, the theoretical background is briefly described, and the main advantages and drawbacks are discussed. The first method consists of a simple discriminant analysis applied to a sample of avalanche days against a sample of non-avalanche days. The second approach tries to take into account different types of avalanche phenomena associated with different types of snow and weather situations. It requires the development of an avalanche typology compatible with the available variables, and leads to a two-stage decision model. A given day is first allocated to a weather type, within which the proper model avalanche-non-avalanche is then processed. A third method, a local non-parametric one, consists of drawing, for the day under study and in an appropriate predictor space, its nearest neighbours from the sample file in order to get an estimate of the probability of avalanche occurrence. For each approach, the explanatory variables may be processed directly as quantitative continuous data or as qualitative categorized data. This removes the problems associated with the very asymmetric distribution of half of them, at the cost of a moderate loss of information. As a rule, the methods were calibrated and then applied to the winters 1972–73 and 1973–74 used as a test sample, thus allowing comparison of their respective potentials in operational forecast.

Résumé

Résumé

Pour tenter de résoudre le délicat probléme de la prévision d'avalanche, différentes méthodes statistiques ont été appliquées. Pour chacune d'elles, les aspects théoriques sont brièvement rappelés, ainsi que les principaux avantages et inconvénients. La première méthode consiste simplement en une analyse discriminante classique sur un échantillon de journées avalancheuses d'une part, non avalancheuses d'autre part. La seconde approche suppose l'existence de plusieurs phénomenès avalancheux associés à différentes situations nivométéorologiques. Elle nécessite la construction préalable d'une typologie des avalanches, compatible avec les variables disponibles, et débouche sur un modèle décisionnel à deux niveaux: un jour donné est d'abord affecté à un type de temps, au sein duquel on applique le modèle avalanche-non avalanche associé. Une troisième méthode, locale et non paramétrique, consiste à sélectionner pour le jour donné, et dans un espace convenable, les situations les plus voisines dans le fichier climatologique, de façon à obtenir une estimation de la probabilité d'occurence. Pour chaque méthode, on a effectué le traitement à la fois directement sur les variables explicatives considérées comme continues et quantitatives, et sur les mêmes données transformées en variables qualitatives discrètes. Moyennant une légère perte d'information, on évite les problèmes dûs aux distributions parfois très dissymétriques de près de la moitié des variables. Par principe, les méthodes ont été mises au point sur un échantillon d'ajustement, puis appliquées aux deux hivers 1972–73 et 1973–74, autorisant ainsi la comparaison de leurs potentiels respectifs en prévision opérationnelle.

Zusammenfassung

Zusammenfassung

Zur Lösung des anspruchsvollen Problems der Vorhersage der Lawinentätigkeit wurden verschiedene statistische Methoden erprobt. Für jede Methode werden die theoretischen Grundlagen behandelt sowie die wesentlichen Vor- und Nachteile diskutiert. Die erste Methode besteht aus einer einfachen Trennanalyse, angewandt auf eine Stichprobe von Lawinentagen gegenüber einer solchen von Tagen ohne Lawinenabgang. Die zweite ist darauf gerichtet, verschiedene Typen von Lawinenphänomenen, die mit verschiedenen Schneearten und Wetterbedingungen zusammenhängen, zu berücksichtigen. Sie erfordert die Aufstellung einer Lawinentypologie, die von den verftügbaren Kennwerten ausgeht, und führt zu einem zweistufigen Entscheidungsmodell. Einem bestimmten Tag wird zuerst ein Wettertyp zugeordnet, innerhalb dessen dann das geeignete Modell für Abgang oder Nichtabgang einer Lawine durchgespielt wird. Ein dritter Versuch, der sich auf lokale, nicht parametrisier-Unterscheidungsmethoden stützt, besteht aus der Ermittlung der nächsten Nachbarn in einem Stichproben-verzeichnis zum untersuchten Tag innerhalb eines geeigneten Vorhersageraumes, um einen Schätzwert für die Wahrscheinlichkeit von Lawinenabgängen zu erhalten. Grundsätzlich wurden die Methoden mit einer Trainingsstichprobe kalibriert und dann auf die Winter 1972–73 und 1973–74 als Versuchsstichprobe angewandt; dadurch war ein Vergleich ihrer jeweiligen Leistungsfähigkeit für die operalionelle Vorhersage möglich.

Information

Type
Research Article
Copyright
Copyright © International Glaciological Society 1980
Figure 0

Fig. 1. Davos, Switzerland. Observed area with • Eidg. Institut für Schnee- und Lawinenforschung Weissfluhjoch (by permission of Eidg. Landestopographie)

Figure 1

Table I. Input data used to characterize meteorological and snow conditions

Figure 2

Fig. 2. Histograms for three raw variables and three different weather types.

Figure 3

Fig. 3. Principal component analysis of the January-February sample.(a)Days with observed avalanches.(b)Days without observed avalanche.(c)Interpretation of factor axes F1 and F2 (in Figures 3a, 3b, 5, and 13).

Figure 4

Fig. 4. Principal component analysis of the March-April sample.(a)Days with observed avalanches.(b)Days without observed avalanche.(c)Interpretation of factor axes F1 and F2 (in Figures 4a, 4b, 5, and 15).

Figure 5

Fig. 5. Avalanches occurring with and without precipitation in factor axes of Figure 4.

Figure 6

Fig. 6. Visualization of relations between avalanches and elaborated variables by correspondence analysis.(a.) January. (b.) March.

Figure 7

Fig. 7. (a)Example of the discrete coding of any continuous variable into k classes Xjl (l ═1,…., k); k ═ three, classes.(b)Resulting distributions of any Boolean variable Xjl, ∀l ≤ k; k = two, three, or four classes.

Figure 8

Table II. Serial correlation of the first three principal components of the 50 Variables

Figure 9

Table III. Samples used for testing and calibrating type i models

Figure 10

Fig. 8. Computed probabilities of avalanche occurrence and observed avalanche days for winter 1973.(a)Model I (continuous against qualitative variables).(b)Model II (2 stage against 1 stage model).(c)Model III.

Figure 11

Fig. 9. Same as Figure 8 for winter 1974.

Figure 12

Fig. 10. (a)Three groups of avalanche days (January–February) in the first discriminant plane.(b)Six groups of avalanche and non-avalanche days.

Figure 13

Fig. 11. (a)Four groups of avalanche days (March-April) in the first discriminant plane.(b)Eight groups of avalanche and non-avalanche days.

Figure 14

Table IV. Number of individuals (days) in the different groups

Figure 15

Table V. Classification of all the days into avalanche groups AG

Figure 16

Fig. 12. Comparison of the one-stage multiple types discriminant models using continuous or categorized data.

Figure 17

Fig. 13. Relative density of avalanche and non-avalanche days in factor axes of Figure 3.

Figure 18

Fig. 14. Distinction between local and global discrimination

Figure 19

Fig. 15. Evolution of avalanche situation: trajectories of days culminating in avalanche occurrences.