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Grundlagen von hydrologischen Vorhersagemodellen
End User Workshop MAP D-PHASE
Kontakt:Dr. Massimiliano ZappaEidg. Forschungsanstalt WSLmassimiliano.zappa@wsl.ch
Massimiliano Zappa - WSLSimon Jaun - IACETH
... und viele andere
Themen
Operationelle Hydrologie als wissenschaftliches Forschungsthema
Struktur von hydrologischen Modellen ….
Meteorologische Unsicherheit, Ensemble Vorhersagesysteme
Unsicherheit in den Anfangsbedingungen, Ensemble Nowcasting
…. Eichung, Verifikation und Parameterunsicherheit (Equifinality)
D-PHASE Ramp-Up und erste Daten aus der DOP
Nowcastingsysteme für alpine Einzugsgebiete
MAP SOP 1999, wie war es damals?
Fläche
1 cm2
1 m2
1 ha
1 km2
Elementarvolumen
100 km2
104 km2
106 km2
Massstabs-ebene
HydrologischeEinheiten
Global
Region
Kontinent
Grosseinzugsgebiet
Einzugsgebiet
Forschungsgebiet
Rastermodul / HRU
Experimental-Fläche
Standort - Bodenprofil
1h 1d 1m 1y 100y
Strategie
1min
108 km2M
ESO
MA
CR
O
MIC
RO
Fachliche Einordnung der operationellenhydrologischen Vorhersagen
Hochwasser Hitzewellen Klimawandel
OperationelleHydrologie
PUB
Wasserressourcen
Erei
gnis
anal
ysen
Alptal
Modell-update
Fortpflanzung der Unsicherheit
Systematische Behandlung der Unsicherheit in einem End-to-End Vorhersagesystem
OBS NWP HYD DEC
Weitgehend realisiert
OBS
MAP-SOP
Lago Maggiore - Lake Level 1999
Vorgeschichte - MAP 1999 SOP
Bacchi & Ranzi, HESS (2003)
Benoit et al., HESS (2003)
Lago Maggiore - Operationelle VorhersagenMC2 <-> WATFLOOD
Simulation Results for the Piedmont-Flood 1994Forecast Mode
Jasper et al., J. Hydrology (2002)
The RAPHAEL* Project*Runoff and Atmospheric Processes
for flood HAzard forEcasting and controL
Lago Maggiore - Poor man's ensembleWaSiM ETH <-> NWP's/RADAR
Aufbau von hydrologischen Modellen am Beispiel von PREVAHPrecipitation-Runoff-Evapotranspiration HRU related Model(Gurtz, Zappa, Viviroli et al., 1994-2007)
Raumdaten
Höhe, Exposition, Gefälle, Landnutzung,
Bodeneigenschaften, ...
GIS - Raster
PREVAHHRU-Tabelle
Interpoliertemeteorologische
ElementeP, T, RGL, W, RH/VAP, SSD
1 Stunde..
1 Tag
Sevruk (1986)
Schulla (1997)
Monteith (1975)Wendling (1975)
Zappa et al. (2003)
Menzel (1997)
Gurtz et al. (2003)
Evapotranspiration
Volumen Korrektur (P)
Eichung und Verifikation
Lokale Anpassung vonStrahlung und Temperatur
Schnee- / Eisschmelze
Interzeption
Bodenmodul
Abflussbildung
(Viviroli 2004)
Exposition
Gefälle
Höhenlage
Landnutzung
Bodenarten
Geologie
Digitales Höhenmodell
Digitale Bodeneignungskarte
BodentiefeFür Pflanzen nutzbare FeldkapazitätHydraulische Leitfähigkeit
Landnutzung aus klassifiziertenFernerkundungsdaten
Rauhigkeit der Bodenoberfläche BewuchshöheStomatawiderstandWurzeltiefeBlattflächenindexVegetationsbedeckungsgradInterzeptionsspeicherskapazitätAlbedoBodenwärmestrom
Grundparametrisierung aus den Raumeigenschaften
AdS 2.0AdS 2.0
AdS 2.0
Raumdaten
Höhe, Exposition, Gefälle, Landnutzung,
Bodeneigenschaften, ...
GIS - Raster
PREVAHHRU-Tabelle
Interpoliertemeteorologische
ElementeP, T, RGL, W, RH/VAP, SSD
1 Stunde..
1 Tag
Sevruk (1986)
Schulla (1997)
Monteith (1975)Wendling (1975)
Zappa et al. (2003)
Menzel (1997)
Gurtz et al. (2003)
Evapotranspiration
Volumen Korrektur (P)
Eichung und Verifikation
Lokale Anpassung vonStrahlung und Temperatur
Schnee- / Eisschmelze
Interzeption
Bodenmodul
Abflussbildung
(Viviroli 2004)
Aufbau von hydrologischen Modellen am Beispiel von PREVAHPrecipitation-Runoff-Evapotranspiration HRU related Model(Gurtz, Zappa, Viviroli et al., 1994-2007)
MeteoSwiss AMS Niederschlag [mm]Lufttemperatur [°C]Globalstrahlung [W/m2]Windgeschwindigkeit [m/s]Sonnenscheindauer [-]Relative Luftfeuchte [-]
Datenverfügbarkeit im operationellen Betrieb
SLF/WSL IMIS Niederschlag [mm]Lufttemperatur [°C]Windgeschwindigkeit [m/s]Relative Luftfeuchte [-]
Weitere Daten(z.B. von kantonalen Diensten)
Niederschlag [mm]Lufttemperatur [°C]Pegelstand -> Abfluss [m a.s.l.] / [m3/s]
BAFU Pegelstand -> Abfluss [m a.s.l.] / [m3/s]
Raumdaten
Höhe, Exposition, Gefälle, Landnutzung,
Bodeneigenschaften, ...
GIS - Raster
PREVAHHRU-Tabelle
Interpoliertemeteorologische
ElementeP, T, RGL, W, RH/VAP, SSD
1 Stunde..
1 Tag
Sevruk (1986)
Schulla (1997)
Monteith (1975)Wendling (1975)
Zappa et al. (2003)
Menzel (1997)
Gurtz et al. (2003)
Evapotranspiration
Volumen Korrektur (P)
Eichung und Verifikation
Lokale Anpassung vonStrahlung und Temperatur
Schnee- / Eisschmelze
Interzeption
Bodenmodul
Abflussbildung
(Viviroli 2004)
Aufbau von hydrologischen Modellen am Beispiel von PREVAHPrecipitation-Runoff-Evapotranspiration HRU related Model(Gurtz, Zappa, Viviroli et al., 1994-2007)
Kalibration?(Viviroli 2005)
Automatische Parameterkalibration(Viviroli 2005)
5.00 10.00 15.00 20.00 25.00
Niederschlagskorrektur [%]
25.00
30.00
35.00
40.00
45.00
Schn
eeko
rrekt
ur [%
]
32.0 36.0 40.0 44.0 48.0
Grenzwert für Bildung von Oberflächenabfluss [%]
12.0
16.0
20.0
24.0
28.0
Spei
cher
kons
tant
e O
berfl
äche
nabf
luss
[h]
Parameterunsicherheit (Equifinality)
Verzasca - Einzugsgebiet 1996-2001
Fortpflanzung der Unsicherheit Fortpflanzung der Unsicherheit ……Modellkette von hydrologischen EPSModellkette von hydrologischen EPS
1. (ECMWF-EPS) 2. COSMO-LEPS 3. Hydrologic-EPS
-global-resolution: 80 × 80 km-ensemble members: 51-40 vertical levels-operational: 51 members
A. Montani, ARPA-SIM
-central and southern Europe-resolution: 7 × 7 km-ensemble members: 51-32 vertical levels-operational: 16 members
A. Walser, MeteoSwiss
-PREVAH-Rhine basin (Rheinfelden)-resolution: 0.5 × 0.5 km-ensemble members: 51-operational: 1 member
M. Verbunt, ETH Zurich
Reuss - Luzern (2251 km2)Aare - Hagneck (5127 km2)
Rhine - Domat-Ems (3229 km2)Rhine - Rheinfelden (34,550 km2)q25 – q75 intervalq10 – q90 intervalmin - max intervalobserved runoff
Verbunt (2005)
VergleichVergleich von von deterministischendeterministischen und und probabilistischenprobabilistischen VorhersagenVorhersagenHindcastHindcast vomvom FrFrüühlingshochwasserhlingshochwasser 19991999
Runoff at Hagneck (Aare, 5170 km2), IT: 20.8.2005, 00 UTC
Observed runoffInner-quartile range of the ensemble
S. Jaun, IACETH
VergleichVergleich von von deterministischendeterministischen und und probabilistischenprobabilistischen VorhersagenVorhersagenHindcastHindcast vomvom AugusthochwasserAugusthochwasser 20052005
FTP-Server
DataBase
Zusätzlichen Daten
Real-Time Daten
Operationelleshydrologisches Modell
PREVAH
Für jedes Einzugsgebiet:inkrementelle Interpolation;„Nowcasting“ ab TAG-12 bis Gegenwart; Datentransferzu Ftp-Server des EU
Ausgebildeter EU,Offline Version
des hydrologischen Modells(für Szenarien,
Ereignisanalysen)
Mitteilung an den Endbenutzer (EU)Hydrologisches NowcastingIFKIS-HYDRO MountainFloodWatch
IFKIS-HYDRO MFWInfoManager
Testgebiet Linth (600 km2) - EU Glarus-> Wasserkraftwerke!
GebietsspezifischeAlarmgrenze
Warnplattform IFKIS-Hydro - EU GlarusSimulierte Abflussganglinie für Augusthochwasser mit EU PREVAH-Version
MAP-DPHASE – Der Beitrag von WSL/IACETH
Umfangreiches Test-Bed mit motivierten Endbenutzern
PREVAH - COSMOCH 7PREVAH - COSMOCH 2PREVAH - MM5 GarmischPREVAH - RadarPREVAH - Radar Ensembles
PREVAH - COSMO LEPS (mit IACETH)
Warnungen:-> Referat von S. Vogt
Genereller Aufbau
Datenströme
D-PHASE Ramp up, Pfingstereignis
D-PHASE Ramp up, Pfingstereignis
Verzasca Valley
Milano
Maggiore
LuganoLago
VerzascaVerzascaHydrologisches Hydrologisches ensembleensembleNowcastingNowcasting
VerzascaMaggia
TicinoPincasciaLavertezzo44km2
2864m
193m
VerzascaLavertezzo186km2
FOEN rivergauges
FOEN = Swiss Federal Office for the Environment
VerzascaVerzascaHydrologisches Hydrologisches ensembleensemble NowcastingNowcasting
ftp://ftp://ftp.wsl.ch/downloads/zappa/dphase/dphase.htmftp.wsl.ch/downloads/zappa/dphase/dphase.htm
Heute MorgenHeute MorgenLinthLinth--MollisMollis
Heute MorgenHeute MorgenVerzascaVerzasca--LavertezzoLavertezzo
Herzlichen Dank!
Kontakt:Dr. Massimiliano ZappaEidg. Forschungsanstalt WSLmassimiliano.zappa@wsl.ch
Warnplattform IFKIS-Hydro - EU GlarusOperationelle simulierte Abflussganglinie Ereignis 5./18. September 2006
Ohne Abflussnachführung (Alarmgrenze 265 m3/s)
Warnplattform IFKIS-Hydro - EU GlarusOperationelle simulierte Abflussganglinie Ereignis 5./18. September 2006
Mit Abflussnachführung (Alarmgrenze 265 m3/s)
Warnplattform IFKIS-Hydro - EU GlarusBeobachtete Abflussganglinie für Augusthochwasser
MeteorologieVorhersagenEntwicklungRadar….
NiederschlagAktuelle WerteVorgeschichte
AbflussAktuelle WerteGanglinien
Motivation & Ziel
„Die Entwicklung eines probabilistischenHochwasservorhersagesystems, um die Nutzbarkeit von LEPS Daten für Hochwasservorhersage zu untersuchen.“
Wettervorhersagen beinhalten beträchtliche Unsicherheiten.
Information über Unsicherheiten in der Hochwasservorhersage istgewünscht.Lokale Ensemble Vorhersagen (LEPS) ermöglichen eine Spannweitevon möglichen Prognosen anstatt einen einzigen Wert.
Reuss –Luzern (2251 km2)
deterministic forecast
obs
Initialisation: 9 May - 12 UTC
Run
off (
mm
/ h)
Run
off (
mm
/ h)
Initialisation: 9 May - 12 UTC
LEPS forecast
obs
Maximum May discharge till 1999
observed runoffdeterministic forecastensemble membersensemble median95% confidence interval
DeterministischeDeterministische imim VergleicheVergleiche zuzu ProbabilistischeProbabilistische VorhersagenVorhersagenHindcastHindcast vomvom FrFrüühlingshochwasserhlingshochwasser 19991999
Verbunt (2005)
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