Eidgenössisches Departement für Umwelt, Verkehr, Energie und Kommunikation UVEK Bundesamt für Umwelt BAFU Landesanstalt für Umwelt, Messungen und Naturschutz Baden Württemberg Berücksichtigung der Schneeschmelze in der operationellen Abflussvorhersage für Bodensee, Hoch- und Oberrhein Viktorsberg, 26./27. November 2015 Karsten Jasper & Manfred Bremicker Abgestimmte Vorhersagen www.bodensee-hochwasser.info Basel Diepoldsau Für das Rhein-Gebiet bis Basel werden regelmässig für mehr als 120 Pegel Wasserstands- und/oder Abflussvorhersagen erstellt (am LUBW für knapp 50 Pegel). Viktorsberg, 26./27.11.2015 Karsten Jasper 2 Hochwasser aus Schnee- und Eisschmelze • Schmelzhochwasser typische Phänomene in der Abflussvorhersage • im Alpenraum zu jeder Jahreszeit möglich • reine Schmelzhochwasser vs. Regen-auf-Schnee Hochwasser • im Regelfall schwierig vorherzusagen, da Prozesse oft komplex • Ungenauigkeiten in den Daten, insbesondere in den Vorhersagen von Niederschlag und Temperatur, können grosse Auswirkungen auf die Qualität der Abflussprognosen haben. Beispiele für Regen-auf-Schnee Hochwasser: • HW im Kander- und Lötschental vom 10. Oktober 2011 • HW auf der Alpennordseite vom 3./4. Januar und vom 2. März 2015 Viktorsberg, 26./27.11.2015 Karsten Jasper 3 Regen-auf-Schnee Hochwasser (aus Badoux et al., 2013) Viktorsberg, 26./27.11.2015 Karsten Jasper 4 Hochwasser durch Gletscherschmelze 150 195 km2 Gebietsfläche 65.9 % Vergletscherung Massa – Blatten 125 Gefahrenstufe 3 Abfluss [m3/s] 100 Gefahrenstufe 2 75 50 25 MQmon 2003 2015 0 1-Jun Jun Viktorsberg, 26./27.11.2015 Karsten Jasper 1-Jul Jul 31-Jul Aug 31-Aug 5 Berücksichtigte Prozesse in der Abflussvorhersage - Räumliche Interpolation von punktuellen Meteo-Messdaten (inkl. N-korrektur) - Expositionsbedingte Korrektur von Strahlung und Temperatur - Evapotranspiration - Interzeption - Schneeakkumulation und Schneeschmelze - Gletscherabfluss - Infiltration - Bodenwasserdynamik - Grundwasserabfluss - Gesamtabfluss (bestehend aus mehreren Abflusskomponenten) - Gerinneabfluss (inkl. Ableitungen, Zuleitungen, See- und Speicherabflüsse) - Seewasserstand und Seewasserbilanzen Viktorsberg, 26./27.11.2015 Karsten Jasper 6 Flächendetaillierte Vorhersagemodelle am BAFU 2016 2010 2015 2010 2014 2015 2012 Viktorsberg, 26./27.11.2015 Karsten Jasper 2016 7 Abfluss aus Schnee- und Eisschmelze in WaSiM www.wasim.ch • Modell seit den 90er Jahren für flächendetaillierte Wasserhaushaltsberechnungen genutzt, v.a. im Alpenraum • Modell besitzt Werkzeuge für unterschiedlichste Fragestellungen • seit 2010 in der Abflussvorhersage am BAFU eingesetzt (stündliche Auflösung, Rasterweite jeweils 0.5 km x 0.5 km) Schneedeckenaufbau via temperaturgesteuertem Ansatz zur Aufteilung des Niederschlages in Regen und Schnee Viktorsberg, 26./27.11.2015 Karsten Jasper 8 Schneeschmelze in WaSiM Anpassung von Schneealbedo in Abhängigkeit vom Schneealter Schneeschmelze nach 14 verschiedenen Methoden berechenbar • Konventionelle Methoden - verschiedene einfache und erweiterte T-Index-Verfahren - einfache Energiebilanz-Verfahren • Erweiterte Methoden (v.a. nach Warscher et al., 2013) - Kombination von T-Index- und Energiebilanz-Verfahren mit Methoden zur lateralen und/oder gravitativen Schneeverlagerung - BAFU-Vorhersage: T-u-Index + gavitational slides + wind redistribution B A windgetriebene Schneeumverteilung via sky-viewfactor grid Viktorsberg, 26./27.11.2015 Karsten Jasper 9 Gletschermodelle in WaSiM • statisches Gletschermodell für flächendifferenzierte Berechnung von Gletscherschmelze und Gletscherabfluss (1999) - Eis-, Firn- und Schneeschmelze nach Ansätzen von Hock (1997) - Temperatur-Index-Verfahren mit und ohne Strahlungskorrektur - Abflussanteile aus Eis-, Firn- und Schneeschmelze separat ausweisbar - keine Flächen- und Massenänderung der Gletscher • dynamisches Gletschermodell ohne feste Zuordnungen von einzelnen Zellen als Gletscher (2010) - Gletscher können schrumpfen oder wachsen (volume-area scaling) - teilweise vergletscherte Gridzellen möglich - Gletschermassenbilanz wird mitgeführt - Umwandlung von Schnee zu Firn und von Firn zu Eis berücksichtigt - Schmelz- und Abflussalgorithmen identisch mit denen des statischen Modells Viktorsberg, 26./27.11.2015 Karsten Jasper 10 mean hourly discharges ( mm/hmean ) hourly discharges ( mm/h ) mean hourly discharges ( mm/h ) Anwendungsbeispiel statisches Gletschermodell 1.0 Massa (Blatten) Massa Mittlere stündliche Abflüsse (1981 – 2000) 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 1.0 Obere Rhone Rhone (Gletsch) observed runoff 0.8 simulated runoff 0.6 glacier runoff 0.4 base flow 0.2 0.0 1.0 0.8 Dischmabach Dischmabach (Davos) 0.6 0.4 (aus Verbunt et al., 2003) 0.2 0.0 J F Viktorsberg, 26./27.11.2015 Karsten Jasper M A M J J A S O N D 11 Laufende und geplante Arbeiten • Überprüfung und Rekalibrierung der eingesetzten WaSiM-Modelle => Verfügbarkeit von neuen oder verbesserten Modellansätzen => Verfügbarkeit von erweiterten Datengrundlagen (z.B. Meteo-Daten) • Nutzung von Daten des Schweizer Gletscher-Monitoring-Netzwerkes • Testen der Debris-Erweiterung, d.h. Berücksichtigung von Geröllschutt auf Gletschern (Verminderung oder auch Verstärkung von Gletscherschmelze) • Testen des WaSiM-Moduls zum Wärmetransport im Boden (1D vertikal) => Nutzung einen impliziten Finiten-Differenzen-Verfahrens => Berücksichtigung von Advektion, d.h. Wärmeeintrag in Boden durch Niederschlag und/oder Schmelzwasser => Gefrieren von Bodenwasser und Auftauen gefrorener Böden Viktorsberg, 26./27.11.2015 Karsten Jasper 12 Laufende und geplante Arbeiten Zusammenarbeit Uni Innsbruck (Strasser) und Modellentwickler (Schulla) • Integration Mehrschicht-Schneemodell mit erweiterter Energiebilanz • erweiterter Ansatz zur windgetriebenen Schneeverfrachtung • verbessertes Interzeptionsmodell, u.a. auch zur Schneeinterzeption Zusammenarbeit Uni Fairbanks (Hock u.a.) und Modellentwickler (Schulla) • Erweiterung des Wärmetransportmodells unter Einbezug von MehrschichtSchneedecke und Energiebilanz (Schneedecke als Bestandteil des Richards-Modells) • Temperaturmodellierung in Seen und Flüssen auf physikalischer Basis (Wärmetransport, Energiebilanz), mit Vereisung von flachen Seen • erweitertes Gletschermodell mit verbesserter Eisdickenverteilung • MPI Optimierung (bessere Speicherauslastung von Supercomputern) Viktorsberg, 26./27.11.2015 Karsten Jasper 13 Laufende und geplante Arbeiten Zusammenarbeit OSHD und BAFU • operationelle Datenlieferungen des OSHD an das BAFU • Erfahrungsaustausch zur Schneemodellierung • Assimilation von OSHD-Schneedaten Viktorsberg, 26./27.11.2015 Karsten Jasper 14 Laufende und geplante Arbeiten Zusammenarbeit mit LUBW und BAFU • Operationalisierung von LARSIM im BAFU-Vorhersagesystem • Erweiterung der LARSIM-Gebietsaufteilung für die Schweiz • Planung von LARSIM-Weiterentwicklungen • Erfahrungsaustausch (z.B. zur Assimilation von Schneedaten oder zum Umgang mit fehlerhaften Daten) Nun Übergabe an den zweiten Referenten, Manfred Bremicker, und danach allfällige Fragen möglich…… Viktorsberg, 26./27.11.2015 Karsten Jasper 15
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