Modelování hydrologických procesů

Transkript

7. Meteorologický model, parametry simulace
7. část
Srážky jako vstup do hydrologického modelu
HEC-HMS – Meteorologický model a parametry simulace
Michal Jeníček
Univerzita Karlova v Praze, Přírodovědecká fakulta
[email protected], http://hydro.natur.cuni.cz/jenicek/
2012
Srážky
Evapotranspirace
Intercepce
HMS - meteorologický model
HMS - parametry simulace
Obsah přednášky
Teoretická část
•
srážky
•
evapotranspirace
•
intercepce
Praktická část
•
Meteorological Model – přehled metod
•
Zadávání časových řad do modelu HEC-HMS
•
Vytvoření nového meteorologického modelu
•
Control Specification - zadání parametrů simulace
2
Srážky
Evapotranspirace
Intercepce
Evapotranspirace
Povrchový odtok
Srážky
Odtok ze sněhu
Intercepce
Proudění v nenasycené zóně
Odtok v korytě
Proudění v nasycené zóně
Obr. Obecná struktura S-O modelu
3
Srážky
Evapotranspirace
Intercepce
Srážky (dešťové i sněhové)
•
časové řady ze srážkoměrných stanic
•
plošné úhrny srážek, které se vztahují k určité prostorové jednotce
•
modelování skutečných vs. teoretických událostí
•
Srážka [mm]
60,0
bodové vs. plošné srážky
40,0
20,0
0,0
1
•
časový krok vstupních srážek
•
modelování akumulace a tání sněhové pokrývky
3
5
7
9
11
13
15
Srážka [mm]
čas [hod]
60,0
40,0
20,0
0,0
1
•
časový krok
•
vhodná interpolace
Srážka [mm]
hustota stanic
5
7
9
11
13
15
čas [hod]
Klíčové pro s-o modely:
•
3
80
60
40
20
0
1 2 3 4 5 6 7 8 9 101112131415
čas [hod]
4
Srážky
Evapotranspirace
Intercepce
Měření srážek
Pozemní
•
ombrometr, ombrograf, totalizátor
5
Srážky
Evapotranspirace
Intercepce
Měření srážek
Radarové odhady
•
slouží ke zjišťování rozložení okamžitých intenzit atmosférických
srážek
•
založeny na schopnosti srážkových částic v atmosféře odrážet
(přesněji zpětně rozptylovat) radiovlny v centimetrovém pásmu
vlnových délek (mikrovlny).
Radar Brdy
Radar Skalky
Obr.: Dosah radarů ČHMÚ v ČR
6
Srážky
Evapotranspirace
Intercepce
Měření srážek
Radarové odhady – princip měření a interpretace
Intenzitu ukazuje radiolokační odrazivost Z
Pr = PI*(Z/R2)
kde Pr je přijatý výkon, PI je meteorologický potenciál
radaru (přístrojová konstanta), R je vzdálenost cíle.
Radiolokační odhady srážek
Radiolokační odrazivost Z má přímý vztah k okamžité
intenzitě srážek.
Z =a.Ib
kde a a b jsou experimentálně zjištěné konstanty, I je
intenzita srážek.
7
Srážky
Evapotranspirace
Intercepce
Měření srážek
Radarové odhady – možné nejistoty
•
S rostoucí vzdáleností se radarový paprsek vzdaluje od povrchu (vlivem zakřivení
Země). Radiolokační odrazivost přitom klesá s výškou.
•
Svazek paprsků se s rostoucí vzdáleností rozšiřuje, citlivost radaru se vzdáleností klesá
a zároveň radarový svazek již nebývá homogenně zaplněn srážkovými částicemi.
•
Útlum ve srážkách, ležících na dráze svazku.
•
Ve vrstvě tání srážek pod nulovou izotermou (bright band) může docházet k
přechodnému zvýšení odrazivosti.
•
Vliv terénních předmětů v dráze radarového paprsku
•
Podcenění hřebenů hor – důsledek zakřivení, korun stromů...
8
Srážky
Evapotranspirace
Intercepce
Fyzikální podstata sněhu
Obr. Metamorfóza ve sněhové pokrývce (Zdroj: Dietrich a
Schöniger, 2003)
Obr. Rozdělení teplot ve sněhové pokrývce (Zdroj:
Dietrich a Schöniger, 2003)
ET - equi-temperature metamorphism
TG - temperature-gradient metamorphism
MF - melt-freeze metamorphism
9
Srážky
Evapotranspirace
Intercepce
Metody měření výšky sněhové pokrývky a SWE
pozemní metody
staniční měření, expediční měření
měří se výška sněhové pokrývky i vodní hodnota
Váhová sněhoměrná souprava SM 150-50
1 – odběrný válec, 2 – tyč pro měření
mocnosti sněhové pokrývky, 3 – digitální
váhy, 4 – závěsné vahadlo
10
Srážky
Evapotranspirace
Intercepce
Metody měření
11
Srážky
Evapotranspirace
Intercepce
Metody měření výšky sněhové pokrývky a SWC
distanční metody
Snímání v mikrovlnné části spektra
aktivní (RADAR)
pasivní (mikrovlnný radiometr)
Odrazové vlastnosti povrchů v mikrovlnné části spektra jsou dány především drsností a
vlhkostními charakteristikami.
Odrazové vlastnosti povrchů ovlivňují jejich dielektrické vlastnosti
Výhodou je nezávislost na meteorologických podmínkách
Využívá závislosti výšky sněhové pokrývky a pohlcování dlouhovlnného záření
12
Srážky
Evapotranspirace
Intercepce
Modelovací techniky
Metoda energetické bilance (Energy budget)
•
Fyzikální přístup k modelování odtoku ze sněhové pokrývky se opírá o energetickou bilanci.
Tato metoda sleduje a kvantifikuje toky na rozhraní atmosféra – sníh – půda.
•
Metoda může počítat i ve více vrstvách (použití u lavin).
Qm = Qn + Qe + Qh + Qg + Q p + Qq
M = 0,0031 ⋅ Qm
kde M
[mm.d-1]
(podle Singh, 2001)
je změna vodní hodnoty sněhu
•
kde Qm je saldo energie dostupné na tání
sněhu [W.m-2]
•
přenos radiace Qn
•
přenos latentního tepla Qe
•
přenos senzitivního (zjevného) tepla Qh
•
přenos tepla přes rozhraní půda – sníh Qg
•
teplo dodané srážkami Qp
•
změna vnitřní energie ve sněhové
pokrývce Qq
13
Srážky
Evapotranspirace
Intercepce
Metoda teplotního indexu (Degree-day Method)
Využívá spojitosti mezi táním sněhu a teplotou. Indexem je v tomto případě teplota. Úbytek
vodní hodnoty sněhové pokrývky M (mm.d-1) je počítán podle vzorce:
M = DDF ⋅ max( 0, T − Tc )
kde DDF (mm.°C-1.d-1) udává úbytek vodní hodnoty sněhu za den způsobený změnou teploty
T o 1 °C oproti kritické hodnotě Tc, při které začíná proces tání (Degree-Day Factor). T je
průměrná teplota vzduchu.
•
hodnota Tc se pohybuje mezi 0 – 2 °C.
•
hodnota teplotního faktoru není stálá a mění se v závislosti na fyzikálních vlastnostech
sněhu nebo globální radiaci (rozmezí 1 – 7 mm.°C-1.d-1)
•
existují různé modifikace, například kromě teploty také zohlednění radiace.
14
Srážky
Evapotranspirace
Intercepce
Zohlednění radiace:
M = DDF ⋅ max( 0, T − Tc ) +
Rn
λm
kde Rn (W.m-2) je radiace a λm je latentní teplo tání (J.kg-1)
Závislost DDF na sezónních změnách struktury sněhu:
ρ 
DDF = 1,1 s 
 ρw 
kde ρs je hustota sněhu v kg.m-3 a ρw je hustota vody.
15
Srážky
Evapotranspirace
Intercepce
Faktory ovlivňující teplotní index tání DDF (podle DeWalle a Rango, 2008)
Ovlivňující faktor
Příčina
Vliv na teplotní faktor
Sezónní vliv
S postupující sezónou pokles
teplotního deficitu a albeda, zvýšení
krátkovlnné radiace a hustoty sněhu
DDF se postupně zvyšuje
Otevřená plocha vs. lesní porost
Stínění a ochrana proti větru
V lese nižší DDF a menší prostorová
variabilita
Reliéf
Variabilita krátkovlnného záření a
expozice vůči větru
Vyšší DDF na jižních svazích
Plošné pokrytí sněhovou pokrývkou
Prostorová variabilita tání
DDF v povodí klesá s pokrytím
povodí sněhovou pokrývkou
Znečištění povrchu sněhu
Prach a další nečistoty (větve)
snižují albedo
Vyšší DDF
Srážky
Srážky dodávají zjevné teplo,
oblaky snižují sluneční radiaci
Obecně je DDF nižší v deštivých
dnech, kdy převládá zatažená
obloha
Ledovcová vs. sněhová pokrývka
Ledovcový led má nižší albedo než
sníh
Vyšší DDF v ledovcových povodích
Další meteorologické podmínky pro
danou teplotu vzduchu
Tání vyšší při vyšších rychlostech
větru, vyšší radiaci nebo vyšší
vlhkosti při dané teplotě vzduchu
Vyšší DDF
16
Srážky
Evapotranspirace
Intercepce
Zohlednění vegetace:
•
rozdílné tání v lese a na otevřených plochách (vliv především přímé radiace)
•
vliv má i typ vegetace (jehličnatý les, listnatý les, stáří lesa atd.)
Hodnoty Degree-day faktoru (DDF) odvozené podle Federer et al. (1972)
Varianta
Otevřené plochy
Jehličnatý les
Listnatý les
DDF [mm.°C.d-1]
4,5-7,5
1,4-2,7
2,7-4,5
Hodnoty Degree-day faktoru (DDF) odvozené z pozorovaných časových řad a pomocí experimentálního měření
Metoda odvození
DDF [mm.°C-1.d-1]
Potřebná data
Z měřených dat (Krušné hory, Bystřice)
1,48
SWE, průtok, teplota vzduchu
Z měřených dat (Šumava, Ptačí potok)
2,77-3,28
SWE, průtok, teplota vzduchu
17
Srážky
Evapotranspirace
Intercepce
Evapotranspirace
Evaporace: přímý výpar z povrchu při vyloučení fyziologických procesů vegetace.
Transpirace: Výpar z povrchu rostlin (dýchání)
Evapotranspirace ET = E + T
Aktuální ET – okamžitý výpar povrchu
Potenciální ET – výpar z určitého povrchu
(vegetace, volná vodní hladina) při daných
meteorologických podmínkách. Předpoklad
stále dostupné vody
18
Srážky
Evapotranspirace
Intercepce
Parametry ovlivňující ET
•
Sluneční záření – hlavní zdroj energie pro přeměnu skupenství vody
•
Teplota vzduchu – teplo z okolního vzduchu přenáší energii na vegetaci
•
Vlhkost vzduchu – hlavní činitel pro přenos páry díky rozdílu mezi tlakem vodní páry ve
vegetaci a na zemském povrchu a okolním vzduchem
•
Tlak vodní páry – čím vyšší je teplota vzduchu, tím vyšší hodnota tlaku nasycení vodní páry
19
Srážky
Evapotranspirace
Intercepce
Parametry ovlivňující ET
•
Rosný bod – sušší vzduch má větší rozdíly mezi teplotou vzduchu a rosným bodem
•
Relativní vlhkost – během dne se výrazně mění (vlivem teploty).
•
Rychlost větru – vyšší rychlost větru nad odpařovací plochu zvyšuje ET.
•
Atmosférický tlak – čím nižší atmosférický tlak, tím vyšší výpar.
•
Skupenské teplo vypařování
•
ET je tedy vysoká v horkém suchém počasí kvůli suchému vzduchu a množství energie
dostupné jak z přímého slunečního záření, tak ze skupenského tepla.
Možné metody stanovení
Potenciální výpar
− metoda podle Haudeho
− metoda podle Turce
− metoda podle Penmana
Aktuální výpar
− Penman-Monteith model
− Renger a Wessolek
20
Srážky
Evapotranspirace
Intercepce
Penmanova metoda
•
standardně využívána - vysoká spolehlivost v různém prostředí
Eo = evaporace z volné vodní hladiny
∆ = sklon křivky tlaku nasycené vodní páry při aktuální teplotě
λ = skupenské teplo výparné
Rn = intenzita toku radiace
G = intenzita toku tepla v povrchové vrstvě vody
γEa = aerodynamický evaporační ekvivalent
21
Srážky
Evapotranspirace
Intercepce
Penman-Monteith model
•
velmi přesná metoda – náročná na data i výpočet
Rn= radiační bilance nad povrchem
G = tok tepla do podloží
es= tlak nasycených vodních par
ea= aktuální tlak vodních par
∆= funkce nasycení vodních par na teplotě
g = psychrometrická konstanta
ρα=hustota vzduchu
cp= specifické teplo vzduchu
rs= resistence porostu = stomatální odpor
ra= aerodynamická resistence – odpor při transportu vodní páry od povrchu
22
Evapotranspirace
Srážky
Intercepce
Evapotranspirace v modelech
•
Evapotranspirace do modelu často vstupuje jako křivka měsíčních průměrných hodnot
potenciální evapotranspirace.
•
Často se stává, že potřebná meteorologická data chybějí. Proto se musí použít
alternativní postupy výpočtu pro evapotranspiraci, které vyžadují jen omezené vstupy
3,0
PET [mm/den[
Polynomická regrese
2,0
1,5
1,0
0,5
1.9.2001
1.8.2001
1.7.2001
1.10.2001
Datum
1.6.2001
1.5.2001
1.4.2001
1.3.2001
1.2.2001
1.1.2001
1.12.2000
0,0
1.11.2000
Potenciální evapotranspirace [mm.d-1]
2,5
Obr. Potenciální evapotranspirace (podle
Haudeho) za hydr. rok 2001 na stanici
Fichtelberg v mm/d
23
Srážky
Evapotranspirace
Intercepce
Intercepce
• dočasné zachycení srážek na povrchu vegetace
• funguje jako nádrž
Možné metody stanovení
− regresní model
− Rutter model
− Calder model
24
Srážky
Evapotranspirace
Intercepce
Intercepce
Regresní model
VTF = BTF Pstorm − CTF
VSF = BSF Pstorm − CSF
kde indexy TF a SF značí srážky propadlé vegetací (throughfall), resp. kmenový odtok
(stem flow), VTF a VSF jsou úhrny srážky propadlé vegetací nebo stoku po kmeni, Pstorm je
celkový úhrn srážek, CTF a CSF je minimální kapacita nádrže propadu, resp. kmenového
odtoku a BTF a BSF jsou koeficienty.
Koeficienty i kapacity se mění v závislosti na typu vegetace a sezónnímu stavu pokryvu
25
Srážky
Evapotranspirace
Intercepce
Intercepce
Rutter model
• nejužívanější
• využívá 2 nádrží – intercepce a retence
kmenového odtoku
pro nádrž intercepce platí:
Dt = Ds ⋅ eb ( STF −CTF )
kde Ds je míra odvodňování při STF = CTF (STF je
okamžitý objem nádrže intercepce, CTF celkový
objem, b je koeficient).
Pro kmenový odtok platí, že jakmile je překročena
kapacita nádrže všechna voda okamžitě stéká na
zemský povrch.
Rutter model také zohledňuje evapotranspiraci z
obou nádrží na základě Penman-Monteith modelu.
Obr. Schematický diagram Rutterova modelu (Gash a Morton,
1978). Koeficienty p a pt charakterizují typ vegetace a změnu
během roku.
26
Srážky
Evapotranspirace
Intercepce
Intercepce
Calderův pravděpodobnostní model
• zohledňuje také velikost kapek
• výsledná intercepce závisí jak na úhrnu srážek, tak na velikosti kapky
• Později byl model doplněn i o tzv. „sekundární kapky“, tzn. kapky dopadající z vyšších pater
na nižší a také o efekt kinetické energie, která je funkcí velikosti kapky a intenzity srážek.
Všechny uvedené modely jsou podrobněji popsány v Beven (2001)
27
Srážky
Evapotranspirace
Intercepce
Komponenty modelu
Srážky
Frequency Storm
Gage Weights
Gridded Precipitation
Inverse Distance
SCS Storm
Specified Hyetograph
Standard Project Storm
Meteorological model
vztahuje se pro dílčí povodí
(Subbasin)
Evapotransp.
Monthly Average
Priestley-Taylor
Gridded Priestley-Taylor
Tání sněhu
Temperature Index
Gridded Temperature Index
28
Srážky
Evapotranspirace
Intercepce
Manager časových řad
V manageru vytvoříme nové časové řady srážek
29
Srážky
Evapotranspirace
Intercepce
Manager časových řad
Obdobným způsobem vytvoříme časové řady průtoků obou událostí. Nové řady se poté zobrazí
ve „Watershed Exploreru“
30
Srážky
Evapotranspirace
Intercepce
Zadání časové řady
Kliknutím na příslušnou řadu ve „Watershed Exploreru“ se v
„Component Editoru“ zobrazí údaje o vybrané řadě, které je možné
editovat
1) Výběr způsobu zadání časové řady
(např. jednotky), časový krok
2) Začátek a konec časové řady (pozor na
správný formát)
31
Srážky
Evapotranspirace
Intercepce
Zadání časové řady
3) Zadání vlastních hodnot (např. z Excelu
pomocí Ctrl-C a Ctrl-V)
4) Možnost prohlédnutí grafu
5) Obdobným způsobem vytvoříme časové řady průtoků obou událostí
32
Srážky
Evapotranspirace
Intercepce
Manager meteorologického modelu
1) Vytvoření nového meteo modelu (obdobný postup jako u jiných komponent)
2) Nový (nové) model(y) se projeví ve „Watershed Exploreru“
33
Srážky
Evapotranspirace
Intercepce
Parametry meteorologického modelu
Kliknutím na příslušný model ve „Watershed Exploreru“ se v
„Component Editoru“ zobrazí jeho charakteristiky, které je možné
editovat.
Výběr metod pro srážky, evapotranspiraci a tání sněhu
Propojení Meteorologického modelu a modelu povodí
(„Basin model“)
Odstranění prázdných hodnot, zohlednění celkového
úhrnu srážky
34
Srážky
Evapotranspirace
Intercepce
Přiřazení časový řad meteorologickému modelu
Pro každý meteorologický model je pro každé dílčí povodí zadána časová řada průběhu srážek
35
Srážky
Evapotranspirace
Intercepce
Manager simulací
Vytvoření nové specifikace simulace (obdobný postup jako u jiných komponent)
36
Srážky
Evapotranspirace
Intercepce
Zadání parametrů simulace
Nastavení počátečního a koncového času simulace a časového kroku
37
Použitá a související literatura
• BEVEN, K.J. (2001): Rainfall-Runoff Modelling, The Primer. John Wiley & Sons, Chichester, 360 s.
• DEWALLE, D. R, RANGO, A. (2008): Principles of snow hydrology. Cambridge University Press, Cambridge,
410 s.
• DIETRICH, J., SCHÖNIGER, M. Hydroskript – Hydrologie, Grundwassermodellierung, GIS, Klimatologie
[online]. c2003, [cit. 2012-04-10]. <http://www.hydroskript.de>.
• FELDMAN, A.D. (Ed.) (2000): Hydrologic Modeling System HEC-HMS – Technical Reference Manual. US Army
Corps of Engineers, Washington, 149 s.
• GASH, J.H.C., MORTON, A.J. (1978): An Application of the Rutter Model to the estimation of the interception
loss from Thetford forrest. Journal of Hydrology, 38, s. 49-58.
• SCHARFFENBERG, W. A., FLEMING, M. J. (2010): Hydrologic Modeling System HEC-HMS, User’s Manual.
USACE, Davis, 318 s.
• SINGH, P., SINGH, V. (2001): Snow and glacier hydrology. Kluwer Academic Publisher, London, 742 s.
• ŠERCL. P. (2008): Hodnocení metod odhadu plošných srážek. Meteorologické zprávy, 61, 2, ČHMÚ, Praha, s.
33-43
38

Modelování hydrologických procesů

Transkript

Podobné dokumenty

Intercepce - Univerzita Karlova

Zpracování dat a jejich poskytování veřejnosti - Hydrologie

1.část Model HEC-HMS

(Meteorological Model) a parametry simulace

Modelování hydrologických procesů I

Aplikace matematického modelu NASIM pro simulaci srážko

Hydrologie - Univerzita Karlova

8. výměna tepla, vodní páry a co2 mezi rostlinou a okolím.

Zpracování dat a jejich poskytování veřejnosti - Hydrologie

SN/SL 170 - IBD czech

Firma Gato Audio není na trhu úplně dlouho, ale za těch pár let své

METEOROLOGICKÉ PRVKY TEPLOTA VZDUCHU TLAK VZDUCHU