Systemanalyse des Gebietsniederschlags

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1 Systemanalyse des Gebietsniederschlags Bestimmung, Regionalisierung und Modellierung vorgetragen von Christian Berger, Frank Raphael, Michael Schultz

2 Gliederung 1. Bestimmung des Niederschlags 1.1 Begriff Niederschlag 1.2 Punktuelle Niederschlagsmessung 1.3 Systematischer Messfehler 2. Regionalisierung des punktuellen Niederschlags 2.1 Allgemeine Überlegungen 2.2 Methoden 3. Niederschlag als Eintragsgröße für hydrologische Modellsysteme 3.1 räumliches Konzept 3.2 Simulator und Skala Exkurs: meteorologische Modelle Literatur

3 1.1 Begriff Niederschlag Niederschlag = Wasser der Atmosphäre, das nach kondensation oder sublimation von Wasserdampf in der Lufthülle ausgeschieden wurde und sich infolge der Schwerkraft entweder zur Erdoberfläche bewegt (fallender N.) oder zur Erdoberfläche gelangt ist (gefallener N.). DIN (1994) Quelle:

4 1.1 Begriff Niederschlag Niederschlag = Wasser der Atmosphäre, das nach kondensation oder sublimation von Wasserdampf in der Lufthülle ausgeschieden wurde und sich infolge der Schwerkraft entweder zur Erdoberfläche bewegt (fallender N.) oder zur Erdoberfläche gelangt ist (gefallener N.). DIN (1994) Quelle:

5 1.1 Begriff Niederschlag Niederschlagsentstehung: Cumulus Stadium Reife Stadium End Stadium Quelle:

6 1.1 Begriff Niederschlag Niederschlagsentstehung: Luv-Seite Lee-Seite Effekt des Föhns bei Gebirgen (Quelle:

7 1.2 Punktuelle Niederschlagsmessung Internationale Messgeräte: a.) Finnland, mit Nipher- Schild b.) Tschechoslowakei c.) USA (Standart) d.) Fisher & Porter: Kanada, USA e.) Belfort: Kanada, USA f.) Frankreich g.) Hellmann: D, DK, CH, S-Am, As, Afr, modifiziert: PL, HU h.) Tretyakov mit Schild (`UdSSR`) i.) Schweden j.) Niederlande k.) UK l.) Belgien 54 intern. Geräte (Sevruk 1982) gleiches Prinzip der Funktionsweise International eingesetzte Messgeräte, (Sevruk 1982, Überarbeitet)

8 1.2 Punktuelle Niederschlagsmessung Niederschlagsmesser nach Hellmann: J. Gunther Hellmann (1886) - Messflächenhöhe = 1m - Auffangfläche [F A ] = 200cm² Unterschiede in der Art der Messung Hellmannsche Niederschlagsmesser, (Ahlheim, 1989)

9 1.2 Punktuelle Niederschlagsmessung Unterschiede in der Art Messung: Niederschlagssammler (Totalisatoren), F A = 500cm² (Quelle: Niederschlagsschreiber (Quelle:

10 1.2 Punktuelle Niederschlagsmessung Unterschiede in der Art Messung: - keine Verzögerung bei der Messung - Auflösung von 0,1 mm - keine präzise Registrierung von Niederschlagsbeginn & -ende Niederschlagswaage (Quelle: Niederschlagswippe (Quelle:

11 1.3 Systematischer Messfehler Windfehler: Windrichtung - Abtreibung leichter Niederschlagsteilchen ( Jevons-Effekt ) bedeutender Faktoren: - Windgeschwindigkeit - Art & Struktur des NS Regentropfenbahnen und Strömungslinien (Wohlrab et al 1992) Fehlerbereich: (Maximum im Winter) 3-15 % (D. Richter 1995) 5-50 % (Wohlrab et. al 1992)

12 1.3 Systematischer Messfehler Windfehler: - Vergleichsmessstationen - Aufnahme meteorologischer Messgrößen (Windgeschwindigkeit) Vergleichsmessgeräte (Wohlrab et. al 1992) Winschutzvorrichtung (Quelle:

13 1.3 Systematischer Messfehler Fehler durch Benetzungsverlust: - Adhäsion an den Innenwänden Verdunstung des Haftwassers bedeutende Faktoren: - Auffangfläche - benetzbare Fläche - Material & Farbe - Niederschlagsintensität Fehlerbereich: (Maximum im Sommer) Schematische Darstellung des Benetzungsverlustes (Ahlheim 1989, Überarbeitet) 4-9 % (D. Richter 1995) 0,2-0,3 mm/ereignis (Wohlrab et. al 1992)

14 1.3 Systematische Messfehler weitere Fehlerquellen - Rückprall von Tropfen aus dem Auffanggefäß - Eigenschaften und Handhabung der Messinstrumente fehlerhafte Ausstellung falsche Kalibrierung der Instrumente - Gerätefehler Alter, Leck - Zufälle Verstopfungen oder Blockierungen v. Instrumenten

15 1.3 Systematische Messfehler Einzellkorrektur: 1.) Benetzungsverlust N BenKorr = N mess + Z Ereig x 0,1 (K. Berger 2006) nur für Ereignisse > 0,1 mm 2.) Einbezug Windfehler N Korr = k x N BenKorr = k x (N Mess + Z Ereig x 0,1) k = N BenKorr (bodengleich) / N BenKorr (Messhöhe) (K. Berger 2006)

16 1.3 Systematische Messfehler Korrektur nach Richter (1995): N Korr = (1 + k Richter ) x N Mess [mm]

17 1.3 Systematische Messfehler Korrektur nach Richter (1995) N Korr = (1 + k Richter ) x N Mess [mm] Gebiete gleicher Niederschlagskorrektur Gebiete gleicher Niederschlagskorrektur (K. Berger 2006)

18 1.3 Systematische Messfehler Korrektur nach Richter (1995) N Korr = (1 + k Richter ) x N Mess [mm] Geschütztheit der Station a.) freie Stationslage (Entfernung fache der Höhe) b.) leicht geschützte Stationslage c.) mäßig geschützte Stationslage d.) stark geschützte Stationslage (Entfernung 2-5 fache der Höhe)

19 1.3 Systematische Messfehler Korrektur nach Richter (1995) N Korr = (1 + k Richter ) x N Mess [mm] A: Gebiet I und IV (bis 700m ü. NN) B: Gebiet II, VI und VII (bis 700m ü. NN) C: Gebiet III und V (bis 700m ü. NN) D: Gebiet VIII und IX (bis 1000m ü. NN) Mittlerer Jahresgang des prozentualen Niederschlagsmessfehlers (D. Richter 1995)

20 1.3 Systematische Messfehler es gibt keine exakten Messmethode bzw. -geräte: - keine Erfassung aller Niederschlagsarten Tau, Nebel, Hagel - nur mit gesonderten Messgeräten neue gesonderte Messfehler hoher technische & finanzieller Aufwand - höhere Ungenauigkeiten bei größerer zeitlliche Auflösung von korrigierten Messwerten

21 2 Regionalisierung Regionalisierung (räumliche Interpolation) regionale Übertragung bzw. flächenmäßige Verallgemeinerung einer Kenngröße oder einer Funktion bzw. Parameter dieser Funktion [MARTIN et al. 2000] räumliche Analyse, heute oftmals automatisiert im GIS Zuordnung einer Fläche zum Regenmesser Funktion kann eine Gleichung oder Modell sein Interpolation vs. Extrapolation diverse Regionalisierungsmethoden

22 2.1 Allgemeine Überlegungen Gebietsniederschlag Niederschlagshöhe, gemittelt über einem bestimmten Gebiet [DIN (1994)] die mittlere Niederschlagshöhe in einem wasserhaushaltlichen Einzugsgebiet nach DIN Der Gebietsniederschlag wird auf der Basis verschiedener Punktmessungen ermittelt, die über die Fläche interpoliert werden müssen [BRUNOTTE et al. 2002] dem Gebietsniederschlag wird der Gebietsabfluss mit den gleichen zeitlichen und räumlichen Merkmalen gegenübergestellt [MARTIN et al. 2000]

23 2.1 Allgemeine Überlegungen Bedeutung für die weitere Systemanalyse Einnahmeseite bei der Aufstellung von Wasserbilanzen Bilanzgestützte Untersuchungen und Simulationen für Sachverhalte auf unterschiedlichen Maßstabsebenen Basis einer guten Abflussmodellierung (Systemantwort) Abflussregulation Verständnis des Systemverhaltens (z.b. Hochwasserprognosen) Voraussetzungen metrisches Datenniveau Repräsentativität der zugrunde liegenden Daten (räumliche/zeitliche Auflösung) Genauigkeit hängt von Messnetzdichte, Stationsverteilung und Verfügbarkeit ab Wirtschaftlichkeit und Durchführbarkeit der Methode

24 2.2 Methoden Arithmetische Mittelung Stationen haben gleiche Wichtung Voraussetzung: gleichmäßig verteilte, umfangreiche Stationsnetze Triangulierung Flächengewichtetes Verfahren geeignet für ungleiche Stationsverteilung im Randbereich keine orographischen Einflüsse berücksichtigt Isohyeten-Methode bedarf fachmännischer Anwendung großer manueller Aufwand besonders genau für orographische Niederschläge

25 2.2 Methoden Thiessen-Polygon-Verfahren auch: Polygonmethode; Thiessen-Gewichtung; Voronoi-Polygon-Verfahren; Dirichlet- Tesselation; Mittelsenkrechtenmethode weit verbreitet; geeignet für ungleichmäßig verteilte Messstationen (Flächengewichtung) ungenau bei starkem Oberflächenrelief; gängig im Flachland hoher Aufwand bei Änderung der Stationsgewichtung Erstellung der Polygone nach dem Kriterium der kürzesteten Distanz zum nächsten Punkt (Mittelsenkrechten) Abb.: Konstruktion eines Thiessen-Polygons (Quelle: BRUNOTTE et al. 2002)

26 2.2 Methoden Rasterpunktverfahren auch: Quadrantenmethode Annahme eines orthogonalen Rasternetzes (objektives Verfahren) NS-Höhe aus den vier Niederschlagsmessstellen errechnet, die dem Bezugspunkt in jedem der vier Quadranten am nächsten liegen leichte Programmierbarkeit bei Änderung der Stationsgewichtung Inverse Distanz Methode Gewicht eines Messwertes abhängig von Distanz zum gesuchten Punkt

27 2.2 Methoden Kriging-Methode statistisches Verfahren, das mit Hilfe von Variogrammen die Stationsgewichte so optimiert, dass die Fehlervarianz ein Minimum erreicht nur bei großen Messnetzen brauchbare Ergebnisse Mathematische Verfahren Funktion zur Annährung an Niederschlagshöhen z.b. Polynome, Splinefunktionen, Regression, Trendflächenanalysen, Fourier-Ansätze, PRISM (Modell) Sonstige Verfahren RADAR-Flächenniederschlagsberechnung (RIEDL 1986) ANNs

28 2 Regionalisierung Abb.: Gebietsniederschlagskarte Thüringen (Quelle: TLUG 1999)

29 2 Regionalisierung Abb.: Gebietsniederschlagskarte Thüringen (Quelle: TLUG 1999) Abb.: Gebietsniederschlagskarte Jena (Quelle: TLUG 1998)

30 3. Niederschlag als Eintragsgröße für hydrologische Modellsysteme Gewichtung und Prozessierung des Niederschlags in hydrologischen Modellen ist abhängig von: 3.1 räumliches Konzept des Modells 3.2 Simulator und Skala

31 3.1 räumliches Konzept Verteilung des Niederschlags auf die Prozesseinheit(en) ist vom räumlichem Konzept des Modells abhängig: non- distributiv Niederschlagsinput - eine Prozesseinheit beschreibt gesamtes Einzugsgebiet - Ein Niederschlagsinput stößt Das Modell an und erzeugt Abfluss Abfluss geeignetes Modell z.b. abc-modell

32 3.1 räumliches Konzept Verteilung des Niederschlags auf die Prozesseinheit(en) ist vom räumlichem Konzept des Modells abhängig: semi- distributiv Niederschlagsinput - Anzahl der Prozesseinheiten ist thematisch Verteilt - Prozessebene je nach Relevanz und Lage aufgelöst - Jede Prozesseinheit besitzt eigenen durch die Regionalisierung bestimmten Niederschlagsinput Abfluss geeignetes Modell z.b. PRMS

33 3.1 räumliches Konzept Verteilung des Niederschlags auf die Prozesseinheit(en) ist vom räumlichem Konzept des Modells abhängig: voll- distributiv Niederschlagsinput - Anzahl der Prozesseinheiten sind durch technische Möglichkeiten begrenzt Abfluss - Jede Prozesseinheit besitzt eigenen durch die Regionalisierung (oder durch Regionalisierung des Modells) bestimmten Niederschlagsinput geeignetes Modell z.b. J2000

34 3.2 Simulator und Skala Die Größe des Einzugsgebietes ist maßgeblich für die Genauigkeit des Modells: mikroskala mesoskala makroskala Hangsystem km² >1000 km² Je größer das zu modellierende Einzugsgebiet wird umso mehr Niederschlagsstationen müssen verwendet werden und umso ungenauer und lückenhafter werden die gemessenen Daten und die physikalische Basiertheit des Modells!

35 3.2 Simulator und Skala Einfluss des Niederschlags auf das abc-modell - direkter Einfluss auf das Modell durch Parameter a und b b = Verdunstungsrate a = Infiltrationsrate Bedingung und Schlussfolgerung: a + b = 1 - Niederschlag bildet die einzigen zeitlich variablen Eingabedaten auf das Modell und den resultierenden Abfluß

36 3.2 Simulator und Skala Einfluss des Niederschlags auf das Modell J zeitliche variable Eingabedaten J2000: Niederschlag, Temperatur, Windgeschwindigkeit, Sonnenscheindauer, relative Luftfeuchte, Abflußmesswerte - Niederschlag wird im Interzeptionsmodul und im Schneemodul direkt betrachtet - besitzt eigenes Regionalisierungsmodul welches Input für Prozesseinheiten erzeugt - geeignet für mesoskalige ( km²) Einzugsgebiete

37 Exkurs: meteorologische Modelle meteorologische Modelle besitzen eine mathematische enorme Komplexität: - ermöglichen auf wenige Tage mehr oder weniger zuverlässige Wettervorhersage und Gebietsniederschlags vorhersage - Design und inhaltliche Gestaltung, enorm komplex und benötigt eigene Rechenzentren - Arbeiten in der Regel mit vereinfachten statistischen Annahmen physikalischer Gegebenheiten Klimakammern ermöglichen experimentelles Modellieren (zb. Forschungszentrum Jülich)

38 Literatur BÄSE, F. (2004): Bericht zum Studienprojekt: Regionalisierung des Niederschla-ges am Beispiel eines semi-ariden Einzugsgebietes im südlichen Afrika. Stand der Forschung. Jena: Institut für Geographie (unveröffentlicht). BRUNOTTE, E., H. GEBHARDT,M.MEURER,P. MEUSBURGER &J.NIPPER (Hrsg.) (2002): Lexikon der Geographie. Suchbegriff. CD-ROM. Heidelberg; Berlin: Spektrum. DFG (Deutsche Forschungsgemeinschaft) (1992): Regionalisierung in der Hydrologie. Weinheim: VCH. GIESECKE, J., P. SCHMITT & H. MEYER (1983): Vergleich von Rechenmethoden für Gebietsniederschläge. Wasserwirtschaft 73, 1, 1-7. KRAUSE, P. (2001): Das hydrologische Modellsystem J2000: Beschreibung und Anwendung in großen Flußgebieten. Schriften des Forschungszentrums Jülich. Reihe Umwelt. Band 29. Jülich: Forschungszentrum. MARTIN, C., M. EIBLMAIER, I. DREWS & H. PRETSCH (Hrsg.) (2000): Lexikon der Geowissenschaften. Suchbegriff. CD-ROM. Heidelberg; Berlin: Spektrum.

39 Literatur RICHTER, D. (1995): Ergebnisse methodischer Untersuchungen zur Korrektur des systematischen Meßfehlers des Hellmann-Niederschlagsmesser. Berichte Dt. Wetterdienst 194. Offenbach: DWD. RIEDL, J. (1986): RADAR-Flächenniederschlagsmessung. Meteorologische Fort-bildung 16, 2, 3. Offenbach: DWD. SEVRUK, B. (1982): Methods of correction for systematic error in point precipita-tion measurement for operational use. WMO No Geneva: World Meteo-rological Organization. TLUG (Thüringer Landesanstalt für Umwelt und Geologie) (1998): Gebietsniederschlag Jena. < (Stand: o. S.) (Zugriff: ). TLUG (Thüringer Landesanstalt für Umwelt und Geologie) (1999): Gebietsniederschlag Thüringen. < (Stand: o. S.) (Zugriff: ). WOHLRAB, B., H. ERNSTBERGER, A. MEUSER & V. SOKOLLEK (1992): Landschaftswasserhaushalt. Hamburg: Parey.

40 Vielen Dank für die Aufmerksamkeit!

41 Thesen 1.Es gibt kein optimales Niederschlagsmessgerät. 2.Die verschiedenen internationalen und nationalen Niederschlagsmessgeräte differieren in ihrer Genauigkeit stark. 3.Niederschlag besitzt den größten Einfluss auf hydrologische Modelle. 4.Ohne Regionalisierung ist eine optimale hydrologische Modellierung nicht möglich. 5.Je mehr Niederschlagszeitreihen für ein Untersuchungsgebiet vorhanden sind, umso verlässlicher die Regionalisierung und die hydrologische Modellierung dessen. 6.Gebietsniederschläge spielen eine wichtige Rolle für ein erweitertes Verständnis des Systemverhaltens im FEZ. 7.Bei der Regionalisierung muss die räumliche und zeitliche Variabilität der zugrunde liegenden Daten berücksichtigt werden