Ableitung einer Z/R-Beziehung mittels inverser hydrologischer Modellierung

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1 Forschungszentrum Karlsruhe in der Helmholtz-Gemeinschaft High-Tech-Offensive Zukunft Bayern Ableitung einer Z/R-Beziehung mittels inverser hydrologischer Modellierung 9. Workshop zur großskaligen Modellierung in der Hydrologie Andreas Marx, IMK-IFU

2 Motivation Hohe räumliche Heterogenität des Niederschlags Geometrische Stationsinterpolation fehlerhaft Reduktion des DWD-Niederschlagsmessnetzes Radardaten liefern gute räumliche Information bei gleichzeitiger schwieriger Quantifizierbarkeit Verwendung von gemessenen Abflussspenden als integrale Information des Gebietsniederschlages

3 Problem geometrischer Interpolationen Interpolierter Niederschlag IDW+Regression IDW Radar Weilheim Ettal Niederschlag [mm/h] im Ammer-EZG, , UTC

4 STRATEGIE Kalibrierung Z/R-Beziehung Hydrologisches Modell WaSiM Radarreflektivitäten Stationsniederschlag Radarniederschlag ABFLUSS

5 Ammer Einzugsgebiet und Kalibrierung des hydrologischen Modells

6 Lage des Einzugsgebietes München Landsat TM (30m) [ch 7-5-3] Garmisch Innsbruck

7 Hydrologische Modellierung: EZG mit Pegeln Räumliche Auflösung m 2 Zeitschritt 1h

8 Hydrologisches Modell WaSiM Deterministisches, flächendifferenziertes Modell Kombination von physikalisch basierten und konzeptionellen Prozessbeschreibungen Kalibrierung empirischer Parameter - horizontale Leitfähigkeit - Speicherauslaufkonstanten - Drainage-Dichte - Rezessionskonstante des Bodens

9 WaSiM Kalibrierung 2001 Abfluss [mm/h] gemessener Abfluss berechneter Abfluss Pegel Halbammer Sommer 2001 NS=0.38 Fehlerhafte Niederschlagsinterpolation führt zu fiktiven Abflussereignissen Autom. Kalibrierung versucht Ausgleich über Anpassung von Parametern liefert nicht den optimalen Parametersatz

10 WaSiM Kalibrierung Abfluss [mm/h] gemessener Abfluss berechneter Abfluss Niederschlag NS=0.57 Pegel Obernach: Kalibriertes Modell unter Benutzung von Stationsdaten

11 WaSiM Validierung 2004: Pegel Halbammer Abflussspende [mm\h] Juli-Oktober 2004 modelliert gemessen NS=0.59

12 Niederschlagsberechnung aus Radardaten und Assimilation in das hydrologische Modell

13 Niederschlagsradar MoHP Radarkuppel am Hohenpeißenberg Gesamtniederschlag Juni-August 2001 [mm] (Z=256R 1.42,ohne Korrekturen)

14 Radarrohdaten: dbz-zeitreihen Clutter Zugspitze Daten vom Forschungsradar des Meteorologischen Observatoriums Hohenpeißenberg (DWD) 3-minütige Reflektivitäten ~65000 Radarszenen Zeitraum Juni-August 2001 Datencharakteristik ist abhängig vom Radargerät und Datenprozessierung

15 Z/R - Beziehung Z = a R b Z Reflektivitätsfaktor [mm 6 m -3 ] R Regenintensität [mm/h] a,b empirische Konstanten (DWD-Standard 256,1.42) 3-teilige Z/R-Beziehungen (nach RADOLAN 2005) dbz < > 44 a b

16 Vergleich Bodenmessungen / Radardaten R=(Z/256)^1/1.42 [mm/8h] teilige Z/R [mm/8h] Station Kaufering [mm/8h] Station Kaufering [mm/8h] Vergleichszeitraum Juni-August 2001

17 Ergebnisse WaSiM: Stations- vs. Radardaten Abfluss [mm/h] gemessener Abfluss berechneter Abfluss Niederschlag Verbesserte Abflusssimulation durch Radarinformation

18 Ergebnisse WaSiM: Stations- vs. Radardaten Abfluss [mm/h] gemessener Abfluss berechneter Abfluss Niederschlag Verbesserung des Abflusskontinuums durch Einbezug von Radardaten

19 Kalibrierung der 3-teiligen Z/R-Beziehung

20 Kalibrierung 3-teilige Z/R Kalibrierung der Grenzen zwischen den Z/R: g1, g2 Parameter a,b für alle drei Beziehungen Iterative Vorgehensweise g1 g2 dbz < > 44 a 125 a1 200 a2 a3 77 b 1.4 b1 1.6 b2 b3 1.9

21 Z/R Beziehung: best fit Bisheriges Ergebnis der Kalibrierung 3-teilige Z/R- Beziehung nach Veränderung der zu kalibrierenden Parameter um ± 30 % einer Iteration dbz < > 44 a b dbz < >45 a b

22 Bisherige Ergebnisse: Pegel Halbammer 3,5 3 NS= Abflussspende [mm/h] 2,5 2 1,5 1 0, Jun i-august 2001 Radolan Beobachtung Best Fit

23 Bisherige Ergebnisse: Pegel Peissenberg 1,4 1,2 NS= Abflussspende [mm/h] 1 0,8 0,6 0,4 0, Jun i-august 2001 Radolan Beobachtung Best Fit

24 Bisherige Ergebnisse kalibrierte 3-teilige Z/R kalibrierte 3-teilige Z/R Stationsmessung Bad Kohlgrub Stationsmessung Kaufbeuren Vergleich Stationsmessung / Radarpunkt gefittete 3-teilige Z/R- Beziehung [mm/8h], Niederschlagsdaten Juni-August 2001

25 Zusammenfassung Quantitative Radarniederschlagsdaten können im Vgl. zu Stationsdaten eine Verbesserung in der hydrologischen Modellierung bewirken Abflussdaten können genutzt werden, um qualitative Radarniederschlagsfelder unter Verwendung eines kalibrierten hydrologischen Modells zu quantifizieren Die Methode ist auf andere Radargeräte und EZG anwendbar, die gefittete Z/R-Beziehung nicht

26 Ausblick / TO DO Weiterführen der Kalibrierung für den Zeitraum 2001 (weitere Iterationen) Kalibrierung mit veränderten Startwerten nach Wu & Tokay 2003 (b-parameter konstant 1.3) Ausweitung der Arbeiten / Validierung Sommer > kompletter Datensatz Radar/Stationsdaten

27 Danksagung High-Tech-Offensive Zukunft Bayern Meteorologisches Observatorium Hohenpeißenberg Universität Stuttgart

28 Repräsentativität von Stationsmessungen Repräsentativität von Punktmessungen für eine Fläche? Entfernung zwischen den Regenmessern: ~4m

29 Wasserhaushalt hydrologisches Jahr [mm] Direktabfluss Interflow Evapotranspiration Niederschlag 0 1 2

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