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Optimierung der Rheinvorhersage durch verbesserte Prozessbeschreibung und Datenassimilation

M2/Z1/162.02/019/054

Dienstleistungen in Verbindung mit Software (72260000)

Dienstleistungen

Im Rahmen des Auftrags sind folgende Punkte zu bearbeiten:

1. Erweiterung des HydPy-Frameworks um zusätzliche Prozesse (Speichersteuerung, Schneemassentransport) und zusätzliche Funktionalitäten für die optimierte Kalibrie-rung und Anwendung von Datenassimilations-Methoden mittels OpenDA

2. Erstellung eines optimierten hydrologischen HBV-Modells in HydPy-H für das Rheingebiet und eines räumlich verteiltes HydPy-L Modell für das Lahn-Gebiet

3. Kalibrierung des hydrologischen Modells für Teilgebiete im Schweizer Teil des Ein-zugsgebiets und im Lahn-Gebiet

4. Anwendung von Datenassimilationsmethoden zur Assimilation des beobachteten Ab-flusses im Lahn-Gebiet

5. Anwendung von Datenassimilationsmethoden zur Assimilation von beobachteten Seewasserständen in der Schweiz

6. Anwendung von Datenassimilationsmethoden zur Assimilation des simulierten Schneewasseräquivalents von DWD-Snow4 im Alpenraum

7. Integration aller Modelle und Methoden in das FEWS-System der BfG

Koblenz, Kreisfreie Stadt (DEB11)

Erweiterung HydPy-Framework:

Da die Steuerung der Schweizer Seen im Alpenraum einen großen Einfluss auf die Vorhersa-gegüte des Rheins hat, sind die in dem operationellen Vorehrsagemodell des BAFU enthalte-nen Methoden zur Simulation der Speichersysteme in das HydPy-Framework zu integrieren. Darüber hinaus haben Erfahrungen aus Anwendungen mit dem HBV-Modell gezeigt, dass sich in hoch gelegenen Einzugsgebieten kontinuierlich eine Schneedecke aufbauen kann, die auf Grund der kalten Temperaturen in diesen Gebieten auch im Sommer nicht abgebaut wird. Um die Schneemodellierung unter diesem Aspekt zu verbessern, ist das HydPy-Framework um eine Schnee-Transport Komponente analog zu dem Modell LARSIM (LEG 2019) zu er-weitern, durch die Schneeverwehungs- und Lawinenprozesse abgebildet werden können.

Zusätzlich ist das Framework um zusätzliche Funktionalitäten zu erweitern, um eine optimier-te Anwendung von automatischen Kalibrier- und Daten-Assimilations-Verfahren mit Open-DA, z. B. bei der Handhabung räumlich verteilter Parameter / Zustandsvariablen, Parallelisie-rung, Änderung Eingangszeitreihen, zu gewährleisten.

Erstellung hydrologische Modelle HydPy-H Rhein und HydPy-L Lahn:

Das operationell bei der BfG eingesetzte hydrologische Modell HBV134 ist in das in dem hydrologischen Modellframework HydPy enthaltene Modell HydPy-H zu überführen. Zusätz-lich liegt für den Alpenraum das räumlich höher aufgelöstes HBV-Modell HBV-CH des Bun-desamt für Umwelt (BAFU) der Schweiz vor, in dem auch die Schweizer Seen abgebildet sind. Dieses Modell ist ebenfalls nach HydPy-H zu überführen und mit dem aktuellen opera-tionellen Modell zu einem gemeinsamen hydrologischen Modell HydPy-H_Rhein179 zusam-menzuführen.

Um für eine generelle Übertragung der Methoden für die Vorhersage der BfG zusätzlich Er-fahrungen in der Datenassimilation mit räumlich verteilten Zustandsvariablen zu gewinnen, ist für die Lahn das bestehende LARSIM-ME Modell nach HydPy-L zu überführen

Kalibrierung hydrologische Modelle:

Zur Verbesserung der Abflusssimulation in der operationellen Vorhersage der BfG sind die Teileinzugsgebiete im Schweizer Rhein-Einzugsgebiet bis zum Pegel Basel und die Teilein-zugsgebiete des Lahn-Gebietes, in dem Datenassimilations-Methoden angewendet werden, mit OpenDA automatisch zu kalibrieren.

Anwendung Datenassimilationsmethoden:

Mit den zuvor erstellten hydrologischen Modellen sollen für ausgewählte Gebiete und An-wendungen Methoden zur Datenassimilation mit OpenDA aufgebaut werden, um die Anwen-dung der Datenassimilationsmethoden exemplarisch zu testen. Bei der Anwendung der Me-thoden ist eine generelle Übertragbarkeit der Methoden für das gesamte Rheingebiet sicher zu stellen.

Folgende Datenassimilationsmethoden sind mit OpenDA zu implementieren:

1. Für das Lahn-Einzugsgebiet ist für ausgewählte Pegel in dem Gebiet der beobach-tete Abfluss mit zwei unterschiedlichen Datenassimilationsverfahren (Partikel Fil-ter, Ensemble Kalman Filter) zu assimilieren, um die Schätzung der Systemzu-stände des hydrologischen Modells zu verbessern.

2. Für 4 Schweizer Seen sind mit einem geeigneten Verfahren von OpenDA beo-bachtete See-Wasserstände in das System zu assimilieren, um die Simulation und Vorhersage der Abflüsse aus den Schweizer Seen, die einen großen Einfluss auf die Vorhersagegüte für die Rhein-Pegel haben, zu verbessern.

3. Für die Gebiete in den Alpen ist das gerasterte Schnee-Produkt DWD-Snow4 in das Modell zu assimilieren, um die Schätzung der Schneezustände im hydrologi-schen Modell zu verbessern.

Laufzeit in Monaten:8

nein

nein

Offenes Verfahren

nein

21.08.2019

12:00

• Deutsch (DE)

15.11.2019

21.08.2019

12:00