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)