Voraussetzungen für den Einsatz von Radarniederschlagsdaten in der Ingenieurhydrologie Wiesbaden, 21. April 2017

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1 Voraussetzungen für den Einsatz von Radarniederschlagsdaten in der Ingenieurhydrologie Wiesbaden, 21. April 2017 AG Starkregen & Sturzfluten FB Architektur/Bauingenieurwesen Hochschule RheinMain B. Eng. Lisa Trost Prof. Dr. E. Ruiz Rodriguez

2 Projekt KLIMPRAX Starkregen Projektteil 2: Erstellung von Starkregen-Abflusskarten und Anpassung der Rechenmodelle an die Erfordernisse bei Starkregen AP 2.1: Untersuchung, inwieweit die beim DWD vorliegenden RADOLAN-Radarniederschlagsdaten für die Modellierung von Starkregenereignissen genutzt werden können, sowie die Entwicklung von Schnittstellen und Werkzeugen für die Praxis (in Zusammenarbeit mit dem DWD) AP 2.2: Untersuchungen zum abflusswirksamen Niederschlag bei Starkregen AP 2.3: Untersuchungen zum Oberflächenabfluss an Steilhängen AP 2.4: Erstellung von örtlichen Starkregen-Abflusskarten in zwei Pilotprojekten 2

3 Voraussetzungen für den Einsatz von Radarniederschlagsdaten in der Ingenieurhydrologie Verfügbarkeit von Radarniederschlagsdaten Qualität der Radarniederschlagsdaten Kosten der Radarniederschlagsdaten Werkzeuge für die Verarbeitung und den Einsatz der Radarniederschlagsdaten in der Ingenieurhydrologie Verfügbarkeit und Kosten für die Werkzeuge Schnittstellen zur Nutzung von Radarniederschlagsdaten in eingeführten und bewährten DV-Werkzeugen Arbeitsaufwand für den Einsatz von Radarniederschlagsdaten in der Ingenieurhydrologie Nutzen des Einsatzes von Radarniederschlagsdaten in der Ingenieurhydrologie Quelle: DWD, WarnWetter App 3

4 RADOLAN-Radarniederschlagsdaten des DWD (Radar-Online-Aneichung) Aus der Überlagerung der Radarniederschlagsdaten aus den 17 Wetterradarstandorten des DWD ergeben sich RADOLAN-Komposite für die Fläche der Bundesrepublik Deutschland (900 km x 900 km) mit einer räumlichen Auflösung von 1km x 1km. Die RW-RADOLAN-Komposite haben eine zeitliche Auflösung von 1h und stellen an den Niederschlagsstationen angeeichte Niederschlagssummen in 1/10 mm/h Genauigkeit zur Verfügung. Die RW-RADOLAN-Komposite sind frei verfügbar (ftp://ftp-cdc.dwd.de/pub/cdc/). Die RY-RADOLAN-Komposite haben eine zeitliche Auflösung von 5 Minuten und stellen die Niederschlagssummen in 1/100 mm/h Genauigkeit zur Verfügung. Die RY-RADOLAN-Komposite werden nach Konsistenzprüfung durch den DWD gegen eine Nutzungsgebühr bereitgestellt. 4

5 Verfügbarkeit der Radarniederschlagsdaten Werkzeuge für Modellierer/ Ingenieurbüros Angebote des DWD: RADOLAN RW-Daten in binär-format bis zum 10. April 2015 auf DWD Server empfohlen: Python Routinen wradlib (kostenlos verfügbar) seit dem 10. April 2015 auf DWD Server empfohlen: IDLRaBiD 5.1 (Darstellungsprogramm für Radarbilder des Deutschen Wetterdienstes), benötigt IDL-Version 6.2 (Interactive Data Language) seit Mai 2016 historische RADOLAN RW Daten als ASCII Dateien seit Juni 2016 aktuelle RADOLAN RW-Daten als ASCII Dateien seit Juni 2016 Unterstützungsdokumente für die Verwendung von RADOLAN Produkten in GIS RADOLAN RY-Daten nur in binär-format Nowcasting: KONRAD, ZELLMOS, RADVOR-OP, FZ-PRODUKT Andere Angebote: KONRAD, webkonrad - Zugang über das Feuerwehrinformationssystem (FEWIS) WaWIS (Registrierung über DWD notwendig) NinJo, Lizenz erhältlich über Ernst Basler + Partner GmbH NIRA.web, HST SYSTEMTECHNIK GMBH & CO KG (MeteoMedia, Meteogroup) Kachelmannwetter, Wetter.de, meteox.de, u.v.m. ARBEITSPAKET 2.1 5

6 Programmierung von einfachen Verarbeitungsroutinen RADAR zur Nutzung von RADOLAN-Radarniederschlagsdaten Das OpenSource Software Paket RADAR steht auf der Homepage der Hochschule RheinMain zum freien Download bereit. (Suchwort: KLIMPRAX) RADOLAN Daten Ergebnisse aus Software RADAR GIS- Schnittstelle GIS mit Werkzeugen zur Aufbereitung der Niederschlagsdaten Analyse von Starkregenereignissen (Aneichung von Modellen) Synthese von Starkregenereignissen (Modellierung zur Bemessung) Einleseroutinen: RadarRWlesen_fuer_Raster RadarRYlesen_fuer_Raster 6

7 Analyse von Starkregenereignissen mit RW-RADOLAN-Komposite Hochwasser am Freitag den 11. Juli 2014 im Einzugsgebiet (A E = 21 km²) des Rambachs in Wiesbaden Einschätzung WKI des N-Ereignisses mit KOSTRA DWD, Dauer 1h; hn=45 mm N-Station ARBEITSPAKET WI 2.1 Auringen Wiederkehrintervall 100 Jahre 7

8 Analyse von Starkregenereignissen mit RY-RADOLAN-Komposite Maximale N-Intensitäten aus RY-RADOLAN- Radarniederschlagsdaten 8

9 Analyse von Starkregenereignissen mit RY-RADOLAN-Komposite Einschätzung des WKI des N-Ereignisses mit KOSTRA DWD Dauer 2h; hn=68 mm Wiederkehrintervall > 1000 Jahre Dauer 2h; hn=65 mm Wiederkehrintervall > 1000 Jahre Dauer 1h; hn=18 mm Wiederkehrintervall < 5 Jahre Dauer 1h; hn=24 mm Wiederkehrintervall < 5 Jahre Dauer 1h; hn=24 mm ARBEITSPAKET 2.1 Wiederkehrintervall < 5 Jahre 9

10 Braunsbach ARBEITSPAKET

11 Braunsbach ARBEITSPAKET

12 Analyse von Starkregenereignissen Zwischenfazit: RADOLAN-Radarniederschlagsdaten sind verfügbar und erlauben eine sehr gute räumliche (1km x1 km) und zeitlich Analyse (bis zu 5 Minuten) von Starkregenereignissen. Die Radarniederschlagsdaten zeigen eine typische ungleichmäßige räumliche und zeitliche Verteilung der Niederschlagssummen und der Niederschlagsintensitäten auch in kleinen Einzugsgebieten. Die ungleichmäßige räumliche Verteilung der Niederschlagssummen und der Niederschlagsintensitäten erschwert die Einschätzung des WKI des Starkregens für ein Einzugsgebiet ohne Pegel am Gebietsausgang. Der Antrieb von NA-Modellen mit einem Blockregen und einer gleichmäßigen Gebietsüberregnung ist auch bei kleinen Einzugsgebieten unrealistisch. 12

13 Programmierung von Verarbeitungsroutinen für RADOLAN RW- und RY- Formate Auswerteroutinen (1): RadarRW_Haeufigkeit_mult: Mit Hilfe der Routine RadarRW_Haeufigkeit_mult lässt sich für mehrere vorgegebene stündliche Niederschlagssummenschwelle (z.b. 40 mm, 60 mm, 80 mm) die Auftretenshäufigkeit innerhalb eines vorgegebenen Zeitraums für jedes RADOLAN- RASTER bestimmen. Innerhalb des gewählten Zeitraums werden die stündlichen RW-RADOLAN-Binärdateien nacheinander eingelesen und für jedes RADOLAN-RASTER (1km x 1km) die Häufigkeit der Überschreitung der vorgegebenen Niederschlagssummenschwellen in einer Häufigkeitsmatrix (900 x 900 Elemente) eingetragen. Das Ausgabe Format ist ein ArcGIS kompatible ASCII-Raster-Datei. 13

14 Programmierung von Verarbeitungsroutinen für RADOLAN RW- und RY- Formate Auswerteroutinen (1): RadarRW_Haeufigkeit_mult: Legende Häufigkeit N > 40mm Häufigkeit von Starkregen mit einer Niederschlagssummenschwelle >40mm im RADOLAN-RW-1h- Intervall innerhalb des Zeitraums bis für das Land Hessen 14

15 Programmierung von Verarbeitungsroutinen für RADOLAN RW- und RY- Formate Auswerteroutinen (2): RadarRW_Ident_Extrem Mit Hilfe der Routine RadarRW_Ident_Extrem lassen sich innerhalb eines vorgegebenen Zeitraums für eine vorgegebene stündliche Niederschlagssummenschwelle für jedes RADOLAN-RASTER das Datum und die Uhrzeit einer Überschreitung bestimmen und in eine ASCII-Datei auslagern. Die räumliche Ausdehnung der Suche lässt sich durch Eingabe von Randkoordinaten einengen. RadarRW_Maxima Mit Hilfe der Routine RadarRW_Maxima lassen sich innerhalb eines vorgegebenen Zeitraums für jedes RADOLAN-RASTER die maximalen, einstündigen Niederschlagssummen bestimmen. Innerhalb des gewählten Zeitraums werden die stündlichen RW-RADOLAN-Binärdateien nacheinander eingelesen und für jedes RADOLAN-RASTER (1km x 1km) der Maximalwert Wertematrix (900 x 900 Elemente) eingetragen. Das Ausgabeformat ist eine ArcGIS kompatible ASCII-Raster-Datei. 15

16 Programmierung von Verarbeitungsroutinen für RADOLAN RW- und RY- Formate Auswerteroutinen (2): RadarRW_Maxima Maximale Niederschlagssummen im RADOLAN-RW-1h-Intervall im Zeitraum bis für das LAND HESSEN 16

17 Programmierung von Verarbeitungsroutinen für RADOLAN RW- und RY- Formate Auswerteroutinen (3): RadarRW_Mittelwert zur Berechnung der räumlichen Verteilung der mittleren Niederschlagsmengen für einen definierten Zeitraum innerhalb einer gewählten räumlichen Ausdehnung innerhalb des nationalen RADOLAN-Rasters. RadarRW_Summe zur Berechnung der räumlichen Verteilung des Niederschlagsvolumens für einen definierten Zeitraum innerhalb einer gewählten räumlichen Ausdehnung innerhalb des nationalen RADOLAN-Rasters. RadarRW_Vorregenindex zur Berechnung der räumlichen Verteilung des Vorregenindex für einen definierten Zeitpunkt innerhalb einer gewählten räumlichen Ausdehnung innerhalb des nationalen RADOLAN-Rasters. Methoden: - 30 Tage - 21 Tage nach Zaiß - variabler Tagesanzahl vor dem Ereignisdatum (30, 21) VN(30, 21) = k i h N,i i=1 k = 0,9 oder k = 0,796 e (0,0047*WZ) oder k=1 ARBEITSPAKET

18 Programmierung von Verarbeitungsroutinen für RADOLAN RW- und RY- Formate Auswerteroutinen (3): RadarRW_Vorregenindex ARBEITSPAKET

19 Darstellung und Projektion der RADOLAN RW- und RY- Formate Problematik: Polarstereographische Projektion der RADOLAN-Rasterdaten ist nicht längen- und flächentreu Polarstereographisch Gauss-Krüger ARBEITSPAKET

20 857,87 km 858,59 km Darstellung und Projektion der RADOLAN RW- und RY- Formate 880,12 km 838,78 km Fläche: km² Gauß-Krüger Projektion Δ-Fläche: 9 % Fläche: km² Polarstereographische Projektion ARBEITSPAKET

21 Darstellung und Projektion der RADOLAN RW- und RY- Formate Lösung 1: RADOLAN-Daten im Gauß-Krüger Raster: Zone 1 bis 5 anbieten Lösung 2: Umrechnen der Projektion im GIS System Lösung 3: RADOLAN-ASCII Daten im UTM Raster: Zone 32 (Zone 33) anbieten Gitterpunkte des UTM Rasters ARBEITSPAKET

22 Routinen/Werkzeuge für die Bearbeitung und Auswertung von RADOLAN- Radarniederschlagsdaten ArViRadDB: ArchivierungVisualisierungRadarniederschlagsDatenBank Archivierung und Visualisierung historischer Ereignisse mit Hilfe einer Datenbank gestützten Software (RW und RY RADOLAN-Radarniederschlagsdaten im Binärformat) Basis: NoSQL-Datenbank (MongoDB) Datenbankelemente: Zeitindex (Datum und Zeitpunkt) X,Y- Lagekoordinaten (RADOLAN-RASTER) Niederschlagshöhe (RW 1/10mm, RY 1/100 mm) 22

23 Routinen/Werkzeuge für die Bearbeitung und Auswertung von RADOLAN- Radarniederschlagsdaten Entwicklung und Verwendung von ArViRadDB: Interdisziplinäre Zusammenarbeit mit Prof. Dr. Ralf Dörner, Fachbereich Design Computer Science Media der HS-RM Bearbeiter: B.Eng. Patrick A. Blair (Entwicklung) B.Eng. André Merdan (Optimierung der Benutzerfreundlichkeit und Funktionalität) Verwendung durch die AG Starkregen im KLIMPRAX Starkregen Projekt: Herausfiltern von möglichen charakteristischen Starkregen-Ereignissen aus den archivierten RW-RADOLAN-Daten 23

24 24 VIELEN DANK FÜR IHRE AUFMERKSAMKEIT! AG Starkregen & Sturzfluten FB Architektur/Bauingenieurwesen Hochschule RheinMain B. Eng. Lisa Trost Prof. Dr. E. Ruiz Rodriguez

25 Quelle: Deutscher Wetterdienst (DWD), Abteilung Hydrometeorologie ARBEITSPAKET

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