Browsing by Author "Brommundt, Jürgen"

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Stochastische Generierung räumlich zusammenhängender Niederschlagszeitreihen
(2008) Brommundt, Jürgen; Bárdossy, András (Prof. Dr. rer. nat. Dr.-Ing.)
Die Arbeit beschreibt die Entwicklung eines Simulators zur Erzeugung simultaner stochastischer Niederschlagszeitreihen, seine Implementierung und erfolgreiche Anwendung. Sie wurde im Rahmen des BWPLUS-Projekts „Erzeugung simultan-synthetischer Niederschlagsreihen in hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung für Baden-Württemberg“ durchgeführt. In Baden-Württemberg besteht mit dem stochastischen Niederschlagszeitreihengenerator NiedSim ein System zur Erzeugung 30 Jahre langer Niederschlagszeitreihen in Fünfminutenauflösung zur Verfügung, das am Institut für Wasserbau von Professor Bárdossy entwickelt wurde. Die generierten Reihen werden hauptsächlich zur Dimensionierung und Auslegung von städtischen Kanalnetzen verwendet. Die erzeugten Punktniederschlagszeitreihen sind repräsentativ für das Niederschlagsverhalten an dem Ort, für den sie generiert werden, und die unmittelbare Umgebung. Für größere Gebiete werden daher zwei oder mehr simultane Niederschlagszeitreihen benötigt, um die räumliche Variabilität des Niederschlags zu berücksichtigen und so eine korrekte Nachbildung bei der Generierung zu ermöglichen. Der Generator NiedSim basiert auf einem nicht-parametrischen Generierungsansatz, bei dem aus regionalisierten, ortsspezifischen statistischen Niederschlagseigenschaften zufällig eine Reihe von Stundenwerten erzeugt wird, die in einer Optimierung solange rearrangiert werden, bis die Zeitreihe die gewünschten - langfristig beobachteten - statistischen Eigenschaften besitzt. Anschließend kann die erzeugte Reihe zu Fünfminutenwerten disaggregiert werden, was nach einem ähnlichen Schema abläuft. Mit dieser Methodik können bei der Generierung beliebige Eigenschaften, also auch räumliche Eigenschaften, berücksichtigt werden. Für die flächendeckende Generierung zusammenhängender Niederschlagszeitreihen in ganz Baden-Württemberg müssen diese räumlichen Eigenschaften ebenfalls regionalisiert werden, damit sie für beliebige Stationspaare zur Verfügung stehen. Insgesamt wurden drei Eigenschaften definiert und untersucht. Der allgemeine Zusammenhang der simultanen Niederschlagszeitreihen wurde durch die Korrelation auf Tages- und Stundenskala erfasst. Zur Regionalisierung der Korrelation wurde ein neuer Kriging-Ansatz entwickelt. In dem vierdimensionalen Raum, den die vier Ortskoordinaten der Stationspaare aufspannen, wird die Korrelation direkt aus den Messdaten aller beobachteten Stationspaare mit Ordinary und External Drift Kriging berechnet. Beide Techniken lieferten sehr gute Interpolationsergebnisse. Umfangreiche Versuche für die Regionalisierung auch Radardaten zu verwenden führten nicht zu befriedigenden Ergebnisse. Aus der späteren Anwendung der erzeugten Niederschlagszeitreihen in hydrologischen Modellen ergibt sich, dass die Nachbildung von Extrema und größeren Niederschlägen besondere Bedeutung haben muss, da diese die schlimmsten Auswirkungen haben. Hierzu wurde aus Radardaten die räumliche Abminderung der Spitzen von Extremereignissen in Abhängigkeit von Fläche, Dauerstufe und Jährlichkeit berechnet. Des Weiteren hat die Zugrichtung und -geschwindigkeit von Niederschlagsfeldern maßgeblichen Einfluss auf die Abflussreaktion eines Einzugsgebiets. Das Zugverhalten wurde ebenfalls aus Radardaten ermittelt und in Abhängigkeit von der herrschenden Großwetterlage definiert, wodurch es auch in Zeiträumen ohne Radarbeobachtung beschrieben werden kann, da die herrschende Großwetterlage lückenlos als Aufzeichnung vorliegt. Das Generierungs- und Disaggregationsschema wurde anschließend so erweitert, dass es diese drei zeitlich-räumlichen Informationen bei der simultanen Generierung berücksichtigt. An Hand von drei Fallstudien wurde der entwickelte Zeitreihengenerator abschließend getestet. Zunächst wurden Aufzeichnungen dreier Messstationen mit drei dazu generierten simultanen Zeitreihen verglichen. Anschließend wurde im Stadtgebiet von Karlsruhe der Einfluss einer ungleichmäßigen Überregnung auf die Stadtentwässerung untersucht. Abschließend wurde der Einsatz des simultanen Generators bei der hydrologischen Modellierung kleiner Einzugsgebiete erprobt. In allen drei Fallstudien erwies sich der erstellte Generator als nützliches Werkzeug zur genaueren Nachbildung der im natürlichen Niederschlag beobachteten Variabilität. Mit Hilfe der räumlich differenzierten Eingangsdaten kann eine Schwäche bei der möglichst realitätsnahen Modellierung des Niederschlag-Abfluss-Verhaltens abgemildert werden. Zum Anderen können unbekannte Reserven existierender Systeme quantifiziert und das allgemeine Systemverständnis verbessert werden.