Flood modelling in the Ammer watershed using coupled meteorological and hydrological models

Taschner, Stefan (2003): Flood modelling in the Ammer watershed using coupled meteorological and hydrological models. Dissertation, LMU München: Fakultät für Geowissenschaften

Abstract

Numerous applications of hydrologic models have shown their capability to simulate hydrologic processes up to a reasonable degree of certainty. In terms of flood modeling, the hereby required quality of the key input parameter precipitation is of vast importance but often remains questionable. This Ph.D. thesis presents a critical review of experiences made in the EU-funded RAPHAEL project. Different meteorological data sources are evaluated to assess their applicability for flood modeling and forecasting in the Bavarian pre-alpine watershed of the Ammer river (709 km²), for which the manifold hydrologic aspects of runoff production as well as the complex nature of floods are described. Apart from conventional rain gauge data, forecasts of several Numerical Weather Prediction Models (NWP) as well as rain radar data and precipitation derived from METEOSAT are examined, scaled and applied within the framework of a GIS-structured and physically based hydrologic model. Multi-scenario results are quantitatively compared and analysed. The synergetic approach leads to promising results under certain meteorological conditions, but also emphasizes a variety of drawbacks. At present, NWPs are the only data source to provide placed rainfall forecasts (up to 96 hours) with large spatial coverage and high temporal resolution. On the other hand, the coarse spatial resolution of NWP grids cannot as yet image the heterogeneous structures of orographic rainfields in complex convective situations and hence introduces a major downscaling problem for mountain catchment applications. As shown for two selected Ammer flood events, a high variability in prediction accuracy still has to be accepted at present. Sensitivity analysis of both meteo-data input and hydrological model performance in terms of process description are discussed, drawing positive conclusions for future applications of an advanced meteo-hydro model synergy.

Abstract

In den letzten Jahren hat die Zahl der Extremhochwasser deutlich zugenommen. An vielen Flußpegeln wurden dabei neue Rekordmarken erreicht. Schäden an privatem und öffentlichem Eigentum haben nicht nur negative wirtschaftliche Folgen, sondern führen auch zu einer verstärkten Nachfrage nach neuen und verbesserten Hochwasservorwarnsystemen. Eine der Hauptaufgaben hydrologischer Forschung ist deshalb, die jüngsten Erkenntnisse und Errungenschaften im Bereich der meteorologischen und hydrologischen Modellierung miteinander zu verbinden, um eine verbesserte Hochwasservorhersage zu ermöglichen. Ziel der vorliegenden Arbeit , die innerhalb des von der EU geförderten Projektes RAPHAEL (Runoff and Atmospheric Processes for flood HAzard forEcasting and controL) erstellt wurde, war hierbei die Entwicklung von Methoden zur synergetischen Nutzung von meteorologischen Niederschlagsvorhersagen und hydrologischen Abflußmodellen zur Hochwasservorhersage. Als Testgebiete wurde das Einzugsgebiet der Ammer ausgewählt, das sich am Nordrand der Alpen, 50 km südwestlich von München befindet. Das Ammereinzugsgebiet (709 km²) weist sowohl alpinen Charakter als auch voralpine Züge auf und ist hinsichtlich Relief, Böden und Klima heterogen. Zur Modellierung zweier ausgewählter Hochwasserereignisse, die sich sowohl in ihrer Quantität als auch in ihrem Ursprung unterscheiden wurde das Modell PROMET-D (PRocess Oriented Multiscale EvapoTranspiration model - Discharge) verwendet. Es handelt sich hierbei um eine Kombination aus dem physikalisch basierten SVAT-Modell PROMET (MAUSER und SCHÄDLICH 1998) und einem GIS basierten Abflußmodell, das auf dem TOPMODEL- Ansatz beruht (BEVEN und KIRKBY 1979; LUDWIG 2000). Neben den standardmäßig verwendeten Messungen von Klimastationen des DWDs standen Daten von DWD-Niederschlagsschreibern, Ergebnisse von vier verschiedenen meteorologischen Modellen, Datensätze des DWD-Wetterradars Fürholzen und aus METEOSAT abgeleiteter Niederschlag zur Verfügung. Die Ergebnisse der Hochwassermodellierung zeigen, daß zum derzeitigen Zeitpunkt eine Hochwasservorhersage im Ammereinzugsgebiet nur bedingt möglich ist. Abflußergebnisse, die unter Verwendung von modellierten Niederschlagsvorhersagen berechnet wurden, zeigen eine hohe Variabilität hinsichtlich Abflußganglinie, Abflußvolumen und Hochwasserscheitel auf. Lediglich für das Pfingsthochwasser 1999 ließen sich gute Ergebnisse erzielen. PROMET-D hat jedoch seine grundsätzlich Fähigkeit zur Hochwassermodellierung mit Niederschlagsmeßdaten demonstriert.

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Keywords: flood modeling, flood forecasting, model coupling, PROMET-D, TOPMODEL
• Themengebiete: 500 Naturwissenschaften und Mathematik ; 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 550 Geowissenschaften
• Fakultäten: Fakultät für Geowissenschaften
• Sprache der Hochschulschrift: Englisch
• Datum der mündlichen Prüfung: 12. Dezember 2003