Einsatz gekoppelter Modelle und Wetterradar zur Abschätzung von Niederschlagsintensitäten und zur Abflussvorhersage

Abstract

In der vorliegenden Studie wurden zwei Zielsetzungen verfolgt: (1) die Realisation und der Test eines gekoppelten Meteorologie-Hydrologie Abflussvorhersagesystems und (2) die Ableitung einer Z/R-Beziehung zur Berechnung von Niederschlagsintensitäten R aus Radarreflektivitäten Z. Die Studien wurden im Ammereinzugsgebiet mit einer Fläche von 609 km2 bis zum Pegel Weilheim in Südbayern durchgeführt. Gemessene Abflussdaten wurden genutzt, um mit Vorwärtssimulationen des hydrologischen Modells WaSiM flächendifferenzierte, stündliche Niederschlagsfelder abzuschätzen. Dazu wurden die Koeffizienten einer dreiteiligen Z/R-Beziehung so lange verändert, bis ein Minimum des Nash-Sutcliffe-Kriteriums, basierend auf Abflussbeobachtung und -simulation über einen dreimonatigen Zeitraum, erreicht wurde. Die so kalibrierte Q-Z/R-Beziehung hat in der Validierung mit Niederschlagsstationsdaten gute Ergebnisse gezeigt, hohe Niederschlagsintensitäten werden allerdings unterschätzt. Die Vorteile der hier erstmalig angewandten Methode im Vergleich zu Aneichungsverfahren an Stationsdaten sind die Möglichkeit, auch Daten geringer Niederschlagsintensitäten nutzen zu können und die Ausschaltung des Problems der Repräsentativität einer Punktmessung für eine umgebende Fläche. Es konnte außerdem gezeigt werden, dass Radarniederschlagsdaten erfolgreich über einen dreimonatigen Zeitraum in kontinuierlichen Abflusssimulationen eingesetzt werden können. Der Aufbau eines Hochwasservorhersagesystems wurde durch die Ein-Wege-Kopplung des meteorologischen Modells WRF mit dem hydrologischen Modell WaSiM realisiert. Es wurden umfangreiche Studien auf Basis der Vorhersagen des Augusthochwassers 2005 durchgeführt. Dazu zählen die Auswirkungen unterschiedlicher GFS-Eingangsdaten, Höhenmodelle und Parametrisierungen für grid- und subgridskaligen Niederschlag, Planetarische Grenzschicht und den Stoff- und Energieaustausch zwischen Erdoberfläche und Atmosphäre. Der zeitliche Verlauf der Hochwasservorhersage wurde durch fünf 72-stündliche Wettervorhersagen mit jeweils um zwölf Stunden versetzte Initialisierungszeitpunkte bis einen Tag vor dem Erreichen der maximalen Pegelstände untersucht. Dabei hat sich gezeigt, dass mit dem gekoppelten Modellsystem Extremereignisse modelliert werden können. Die Validierung erfolgte mit 13 Vorhersagen für zwei Abflussereignisse im Sommer 2001. Es konnte gezeigt werden, dass das Abflussvorhersagesystem die effektive, 48-stündliche Hochwasservorwarnung im Ammereinzugsgebiet ermöglicht. Die Vorhersage des exakten Zeitpunktes und der Abflussmenge des Hochwasserscheitels kann mit den heute verfügbaren Methoden jedoch nicht erreicht werden.

Floods remain one of the most frequent and devastating natural hazards worldwide. Flood forecasting systems provide an early warning tool to contribute to the reduction of ecologic and economic losses. In the second half of August 2005, heavy rainfall hit the northern part of the Alps, causing Century floods in Switzerland, Austria, and Germany. Water levels in rivers and lakes reached record heights. This event caused heavy damage in these countries, people were forced to evacuate their homes and infrastructure was affected. Due to the extremely fast response of river runoff to precipitation events, early flood warning in Alpine catchments can only be achieved by mid-range precipitation forecasts through numerical weather prediction (NWP). This data can be applied to hydrological models to give flood forecasts. The quality of hydrological modeling is limited due to the restricted availability of high resolution temporal and spatial input data such as temperature, global radiation, and precipitation. One of the main problems of hydrological modeling is to determine areal (and spatially distributed) rainfall fields, which are the most important input source to hydrological models. On the one hand, station data provide exact point information on rainfall. To estimate areal precipitation, statistical methods need to be applied. Interpolation of station data leads, depending on the method applied and the density of rainfall stations, to huge differences in areal precipitation and its spatial distribution. On the other hand, radar data provide good spatial information (rainfall patterns) whereas the quantification of rainfall intensities using a so called Z/Rrelationship is still a not fully solved problem. Therefore, adjustment techniques using measured rainfall data have been developed which face the problem of representativeness of a point information for the area covered by the radar. The goals of this case study were to build and test a one-way-coupled meteorology-hydrology flood forecasting system and to adapt a Z/R-relationship to compute rainfall intensities R using radar data Z (reflektivities). This study was undertaken in the Ammer catchment in the southern Bavarian Alps and alpine forelands. The catchment size is 709 km2 up to the inflow into Lake Ammersee. It could be shown that observed river discharge data can be used to adjust a Z/R-relationship to estimate rainfall intensities from radar data. On the other hand, radar data driven hydrological simulations showed good results over a continuous three-month period in summer 2001. The coupled meteorology-hydrology flood forecast system allows effective warning against floods 48 hours in advance for the Ammer catchment. Nevertheless, it was not possible to simulate the exact point of time and the exact value of the maximum runoff.