HUVA Slutrapport Hydrologiskt UtVecklingsArbete. Elforsk rapport 12:18

Transkript

1 HUVA Slutrapport Hydrologiskt UtVecklingsArbete Elforsk rapport 12:18 David Gustafsson, KTH, Angela Lundberg, LTU, Jonas Olsson, SMHI och Göran Lindström, SMHI, Sara Sandberg, Elforsk mfl. 2012

2 HUVA Hydrologiskt UtVecklingsArbete Elforsk rapport 12:18 David Gustafsson, KTH, Angela Lundberg, LTU, Jonas Olsson, SMHI och Göran Lindström, SMHI, Sara Sandberg, Elforsk mfl. 2012

3 Förord Sedan 1980 har vattenkraftindustrin bedrivit gemensamma utvecklingsprojekt inom hydrologi. Från och med 2003 har programmet löpt i etapper om tre år. Denna rapport avser verksamhet inom etapp tre; , som bedrivits i nära samverkan mellan industri, SMHI och högskolor. Programmet har administrerats av Elforsk och styrts av HUVA-gruppen med bred hydrologisk representation som idag består av följande ledamöter: Peter Calla, Vattenregleringsföretagen (ordf.) Sigrid Eliasson, E.ON Vattenkraft Sverige AB Jesper Nyberg/Lars Skymberg, Fortum Power Division Emma Wikner, Statkraft Sverige AB Susanne Nyström, Vattenfall Vattenkraft AB Dan Roupe, Vattenfall Vattenkraft AB Mikael Sundby, Vattenfall AB Lars Pettersson/Peter Lindström, Skellefteälvens vattenregleringsföretag Björn Norell, Vattenregleringsföretagen Cristian Andersson, Elforsk (adj.) Rapporten inleds med en beskrivning av HUVAs verksamhet. Kapitel 2-5 innehåller sammanfattningar av resultaten från fem utvecklingsprojekt som vart och ett slutrapporterats separat. HUVA ( ) finansierades av E.ON Vattenkraft Sverige AB, Edsbyns Elverk AB, Fortum Generation AB, Gävle Energi AB, Holmen Energi AB, Jämtkraft AB, Karlstads Energi AB, Mälarenergi AB, Skellefteå Kraft AB, Sollefteåforsens AB, Statkraft Sverige AB, Tekniska Verken i Linköping AB, Umeå Energi AB and Vattenfall Vattenkraft AB. Stort tack till alla er som bidragit till programmets verksamhet. Stockholm, mars 2012 Sara Sandberg Programområde Vattenkraft Elforsk

4 Sammanfattning Inriktningen på HUVAs verksamhet under var förbättring av metoder för mätning av flöden och vattenstånd vattentillgång och -balans samt korttids- och vårflödesprognoser. I början av 2009 gjordes en utlysning enligt denna inriktning. Det resulterade i fyra utvecklingsprojekt, vars resultat redovisas i kapitel 2-5. Under samma programperiod finansierades även standardiseringsarbete inom SIS, en HUVAkurs arrangerades (2010), tre HUVA-dagar hölls (2009, 2010 respektive 2011) och resebidrag till en konferens beviljades. Ett av utvecklingsprojekten Distribuerade mätsystem för förbättrade snö- och avrinningsprognoser pågick fortfarande vid skrivandet av denna slutrapport och slutrapporteras i maj Delrapporteringen skrevs av David Gustafsson, KTH och Angela Lundberg, Luleå tekniska universitet (LTU). I projektet ingick också Jesper Ahlberg, KTH, Nils Sundström, LTU, Göran Lindström, SMHI och Fredrik Wetterhall, SMHI. Ett urval av hittills uppnådda resultat är: De markburna radarmätningarna av snövattenekvivalenten minskar osäkerheterna och förbättrar prognoserna mer än motsvarande manuella mätningar. Ett nydanande angreppssätt att förbättra bestämningen av andelen regn- och snönederbörd visar att man utifrån existerande markobservationer kan bestämma vilken typ av frontpassage som producerar nederbörden. Man kan minska andelen felklassad nederbörd genom att använda olika tröskeltemperaturer för olika typer av frontpassager. Preliminära analyser visar att assimilering av distribuerad snöinformation i en distribuerad snömodell generellt ger en större korrigering av vårflodens volym än assimilering av medelvärdet av samma data i en odistribuerad modell. Vissa år leder detta till kraftigt förbättrad vårflodsvolym, medan det andra år leder till kraftigt överskattad volym. Det andra projektet var Snödjupsmätningar för uppdatering av prognosmodeller och genomfördes av Göran Lindström och Joel Dahné vid SMHI. Målet var att utveckla och utvärdera en enkel metodik för uppdatering av en hydrologisk modell med hjälp av SMHI:s operationella snödjupsobservationer. Snöns vatteninnehåll, densitet och snödjupet simulerades dels med den högupplösta S-HYPE-modellen, dels med en enkel griddad vattenbalansmodell, och dels med en förenklad HBV-modell för test av uppdateringarna. Resultaten från uppdateringsförsöken visade att SMHI:s operationella snödjupsmätningar kan användas för uppdatering av hydrologiska modeller. Förbättringarna blir emellertid oftast inte särskilt stora. I genomsnitt minskade de absoluta volymfelen över vårfloden från ca 8 % till 7 %, eller

5 knappt 1 procentenhet. En analys av nederbördens typ vid ett antal stationer, baserat på observationskoden, tyder på att intervallet för övergång från snöfall till regn bör vara bredare än vad som idag oftast används i HBV- och HYPE-modellerna, och att det kan vara rimligt att använda en högre tröskeltemperatur för att skilja mellan regn och snöfall, än den som används för att avgöra om eventuell snö på marken smälter. Projektet Ett multi-metod system för vårflödesprognoser utfördes av Jonas Olsson, Johan Södling, Wei Yang, Barbro Johansson och Jonas German vid SMHI, Cintia B. Uvo, Lunds universitet och Kean Foster, SMHI/Lunds universitet. Projektets mål var att utvärdera ett antal nya angrepp för att förbättra vårflödesprognoserna. Metoden var att via olika ansatser försöka förutsäga antingen väderutvecklingen eller själva vårflödet under just den kommande perioden, d.v.s. inte under ett år med normal väderutveckling. Tre olika ansatser testades och utvärderades, Reducerad historisk ensemble, Meteorologiska säsongsprognoser från ECMWF i HBV och Statistisk nedskalning av ackumulerat vårflöde). Projektets huvudsakliga slutsatser är följande: (1) det är idag (2011) svårt att göra vårflödesprognoser som totalt sett är markant bättre än dagens klimat-baserade från IHMS, (2) för enskilda älvar och prognostillfällen kan en minsking av prognosfelet med upp till 30% erhållas genom analys av dominerande vädertyper eller statistisk nedskalning, (3) med en kombinerad multi-modell kan en generell minskning av prognosfelet med ~10% uppnås. Det fjärde projektet Klimat, vattentillgång och höga flöden i Sverige genomfördes av Göran Lindström, SMHI. Lindström analyserade långtidsvariationen i nederbörd, temperatur, vattentillgång och höga flöden i Sverige, med särskilt tonvikt på frågeställningar av betydelse för vattenkraftindustrin. Storleken, timingen på året, och frekvensen av höga flöden i naturliga vattendrag studerades genom analys av 69 vattenföringsserier om minst 60 år. Resultat: Temperaturen har varit ovanligt hög under senare år, med ett temperaturöverskott runt 1 grad i hela landet. Från och med 1988 har alla år utom 2 varit mildare än normalperioden ( ). Temperaturökningen stämmer relativt väl överens med den som fås via beräkningar med klimatmodeller. Vattentillgången har varit relativt stabil under perioden talet var det torraste årtiondet, medan 1920-, och talen var de blötaste årtiondena. Avrinningen vintertid har varit hög under senare år, särskilt i södra Sverige, beroende på de milda vintrarna. Storleken och frekvensen av höga flöden i naturliga vattendrag är relativt stabil, liksom tidpunkten för när det högsta flödet inträffar under året.

6 Summary About HUVA The hydro power companies joint development activity in the hydrology field is carried out through the so called HUVA programme. The work is managed by the Hydrological Development Steering Group, and is concentrated mainly on improving methods of flow and water level measurement, coupled with forecast models primarily for the spring floods. An annual conference called HUVA Day is arranged, together with hydrology training courses for power industry personnel. The focus of the HUVA programme during the years was Improvement of methods for flow measurements and water levels Water supply and water balance Short term forecasts and spring flood forecasts At the beginning of 2009 a call for proposal was carried out, according to the above focus. The call resulted in four R&D-projects, of which results are presented in this report, and in separate reports. The reports can be downloaded from Elforsk s website, The HUVA programme also finances standardization work within SIS, a HUVA course (in 2010), three HUVA-conferences (in 2009, 2010 and 2011) as well as participation at a conference. One of the four projects, Distributed measurement systems for improved snow- and runoff forecasts integration into hydrological models was still ongoing when this report was written. Hence, the project is only partially reported here. The final report will be completed in April The work was carried out by David Gustafsson, KTH Royal Institute of Technology, Jesper Ahlberg, KTH, Nils Sundström, Luleå University of Technology (LTU), Göran Lindström, Swedish Meteorological and Hydrological Institute (SMHI), Fredrik Wetterhall, SMHI and Angela Lundberg, LTU. The overall aim with the project was to decrease the volume error of snowmelt runoff prognoses, improve the timing of snowmelt peaks and runoff onset, thereby providing upgraded operational forecasts. The forecasts were based on time and resource effective measurement techniques and on modeling tools adoptable for both small and large hydro power companies. Objectives with the study were to test and further develop snow measurement techniques and to investigate various model structures and data assimilation methods in relation to available data thereby optimizing the use of snow measurements. A new snow model with different optional spatial and process representation was developed. The model was implemented as a Fortran sub-routine in the new hydrological simulation system HYSS developed by SMHI, but the sub routine can be linked to any hydrological model platform with minor modifications.

7 Snow melt and soil evaporation can be computed using either a degree-day or an energy balance approach and a simple version of the ground water and lake representation of the HBV-model is used to simulate the runoff. Two types of spatial representation have been compared in the project; distribution in 2D grids with different spatial resolutions as well as hydrological response units (HRU) defined by different height, slope, aspect and vegetation classes. The spatial variation of snow accumulation and redistribution is represented by a simplified empirical equation that take wind direction and topography into account. This equation was derived by spatial analysis of the GPR data collected in the project. A data assimilation routine based on the Ensemble Kalmanfilter (EnKF) has been developed for integration of snow data into the simulations. The EnKF method updates parameter values and model states, as functions of the covariance between model error, model state, parameters and input variables. Examples of such parameters are: the degree-day factor for snow melt and the snow mass. EnKF gives besides an automatic update and calibration also an estimate of the uncertainty in the model results, and may be used to assess the probability of the forecast. The results from the simulations with the new model system show that EnKF data assimilation of distributed snow data can help to improve runoff predictions. For single years, the results also show that the ground penetrating radar (GPR) snow measurements reduce model uncertainty more than the corresponding manual measurements. The results also show that the improvements in the runoff predictions when assimilating the distributed snow data is higher when the distributed snow model is used compared to a lumped model structure. A novel approach to tackle the problem that for air temperatures around zero degrees falling snow is quite often classified as rain and vice versa, when surface air temperature thresholds are used to determine the phase, has been developed within the project. Such misclassifications appear when the air temperature at the soil surface and in the lower atmosphere differs considerably, as the case for some air boundary passages. It is possible to use already existing meteorological measurements to identify some classes of air boundary passages [e.g. Cold Air Mass (CAM) passages] and it has been shown that the misclassified amount decreases when separate thresholds were used for CAM and non-cam events. The second project was Updating a hydrological model by use of operational snow depth measurements. The work was carried out by Göran Lindström och Joel Dahné, SMHI. The aim of the project described in this report was to develop and evaluate a simple method for updating a hydrological model by use of operational snow depth measurements. The snow water content, density and snow depth were modeled with the S- HYPE model, which uses a high spatial resolution, and with a simple gridded

8 water balance model, and with a simplified HBV model that was used for testing the updating method. The SMHI has measured snow depth at a large number of precipitation stations for many years. Today snow depth is often measured daily during the winter season. The usefulness of this data for hydrological model simulations has not been evaluated before. A statistical analysis of the snow depth data showed that snow depth is correlated over long distances. More importantly, the errors in the simulated snow depth by the S-HYPE model were also correlated over long distances. This means that it may be possible to generalize model corrections between basins. This was, however, not tested in the project. One problem with updating a hydrological model using snow depth measurements is that snow depth is measured at a point, which is usually not representative for the drainage basin. Therefore, the snow conditions were modeled separately for both the snow depth station and for the drainage basin. The correction that had to be applied at the point was thereafter transferred to the basin, but with an updating factor. The factor had to be calibrated for each combination of discharge station and snow depth measurement point. This simple updating was tested in 10 basins. It proved to be quite simple to set up a gridded snow and water balance model for all of Sweden, with a high spatial resolution. The snow depth corresponded well with that obtained from the S-HYPE model, which is based on drainage basins. The latter model was found to simulate snow depth rather well. The results from the updating tests showed that the operational snow depth measurements made by the SMHI can be used for updating of hydrological models. The improvements were, on the other hand, not that large. On average, the absolute volume errors over the snow melt season decreased from about 8 % to 7 %. An analysis was made of the type of precipitation, based on the code reported by the observer. The results indicated that the temperature interval for a gradual transition between snowfall and rain that is used today in the HBV and HYPE models should probably be increased. It was also found that it might be justified to use a higher threshold temperature to distinguish between snowfall and rain, than the one that is used for snow melt. A few modifications in the HBV model code were suggested to make it easier to evaluate the spatial distribution of snow that is implicitly assumed in the model. The third project A multi-model system for spring flood forecasts was performed by Jonas Olsson, SMHI, Cintia B. Uvo, Lund University (LU), Kean Foster, SMHI/LU, Wei Yang, SMHI, Johan Södling, SMHI, Jonas German, SMHI and Barbro Johansson, SMHI. The objective of the project was to evaluate a number of new approaches to improve spring flood forecasts. In today s standard procedure, which is

9 implemented in IHMS, the HBV model is firstly run using observed temperature and precipitation up until the time of the forecast, that way producing an optimal description of the hydro-meteorological conditions. Temperature and precipitation in the forecasting period from all historical years are considered as representing possible evolutions in the coming period. The results from all historical years comprise an ensemble of spring flood forecasts that may be expressed in terms of exceedance probabilities of different discharges or volumes. Normally only the median value of accumulated discharge during the spring flood period is used. Since all historical years are used, the (median) forecast is climatological, i.e. it predicts the spring flood under the assumption that the development of the weather in the forecasting period will be normal. The forecast error will thus be larger the more unusual the weather develops, provided that the initial HBV-condition well represents reality. The idea behind the project was to try different approaches to predict either the development of the weather or the actual spring flood in the very forecasting period ahead, i.e. not in a year with a normal weather development. The approaches used will reflect the latest developments with respect to analysis and modelling of climate on seasonal time scales. Three different approaches were tested and evaluated: - Reduced historical ensemble. Two methods for identifying the historical years that are most likely representative for the coming period (analogue years) were evaluated. Both are based on analyses of the weather development just before the forecast time. (1) Teleconnection indices (TCI): the evolution of different indices that describes regional climate in a simplified way. (2) Circulation patterns (CP): frequency of different weather types, classified into groups. - Meteorological seasonal forecasts from ECMWF in HBV (EH). Temperature and precipitation in seasonal ensemble forecasts from European Centre for Medium-range Weather Forecasts (ECMWF) were converted into HBV model input. Then the HBV model was run from the same updated initial condition as the one used in today s procedure. - Statistical downscaling of accumulated discharge (SD). Statistical relationships between large-scale circulation variables and accumulated discharge were identified and calibrated for each river. The approaches were evaluated for the spring flood forecasts issued on Jan 1 st, March 1 st and May 1 st in the rivers Vindelälven, Ångermanälven and Ljusnan. The main conclusions from the project are the following: (1) it is today (2011) difficult to make spring flood forecasts that in total are markedly better than today s climatology-based ones from IHMS, (2) for single rivers and forecast dates, a reduced forecast error by up to 30% is attainable by weather type analysis or statistical downscaling, (3) a general reduction of the forecast error by up to 10% can be reached by a combined multi-model.

10 The fourth and last project carried out in the HUVA-programme was Climate, water resources and floods in Sweden for the period Göran Lindström, SMHI performed the work. The objective was to describe long term variations in precipitation, temperature, water resources and floods in Sweden, with emphasis on questions that are relevant for the hydropower industry, for the period The starting point for the study was construction of regional series of precipitation, temperature and runoff for four regions. The regions are the drainage basins that form the inflow to the three basins in the Baltic Sea (Bothnian Bay, Bothnian Sea and Baltic proper) and to the Swedish west coast. Here follows the result from the study: The temperature has been unusually high during recent years, with a temperature surplus of about 1 degree in the whole country. From 1988 and onwards all years except two have been milder than the reference period ( ). The temperature increase agrees fairly well with climate scenario simulations. The water resources have been fairly stable during the period The 1970s was the driest decade, whereas the 1920s, 1980s and 1990s were the wettest decades. Winter runoff has been high during recent years, particularly in southern Sweden, due to the mild winters. The magnitude, the timing during the year and the frequency of high floods in natural rivers are rather stable.

11 Innehåll 1 Om HUVA Standardisering inom SIS/STG HUVA-kurs HUVA-dagen Tillämpning av resultat Framtida behov av hydrologiskt utvecklingsarbete Distribuerade mätsystem för förbättrade snö- och avrinningsprognoser - integrering i hydrologiska modeller Mål Genomförande Resultat Framtida studier Referenser Snödjupsmätningar för uppdatering av prognosmodeller Mål Metodik Resultat Slutsatser Ett multi-metod system för vårflödesprognoser Projektmål Genomförande Resultat Slutsatser Framtida studier Klimat, vattentillgång och höga flöden i Sverige Bakgrund Syfte Genomförande Slutsatser Referenser... 21

12 1 Om HUVA HUVA är vattenkraftsföretagens gemensamma FoU-verksamhet inom hydrologiområdet och har funnits sedan Målet är att utveckla hydrologiska metoder och verktyg för att på bästa sätt nyttja tillgängliga vattenresurser för vattenkraftproduktion. Resultat från HUVA-projekt redovisas i rapporter samt nationella och internationella vetenskapliga tidskrifter och konferenser. Vattenkraftsindustrin använder hydrologiska modeller för att prognostisera magasinstillrinning. Tillämpningen är såväl kraftproduktion som dammsäkerhet. Den av SMHI utvecklade HBV-modellen används vanligtvis i prognosarbetet. Snösmältningen och den efterföljande vårfloden är mycket viktiga för vattenkraftsindustrin. Inriktningen på HUVAs verksamhet under var förbättring av metoder för mätning av flöden och vattenstånd vattentillgång och -balans samt korttids- och vårflödesprognoser. Styrgruppen för HUVA, HUVA-gruppen, har bred hydrologisk representation från Vattenregleringsföretagen, Vattenfall, Fortum, E.ON och Statkraft. HUVAgruppen styr verksamheten och beslutar vilka projekt som ska bedrivas inom programmet. För en bättre koppling mellan beställare och utförare har utvecklingsprojekten var sin kontaktperson i HUVA-gruppen. I början av 2009 gjordes en utlysning enligt denna inriktning. Det resulterade i fyra utvecklingsprojekt (se tabell 1). Resultaten från dessa fyra projekt redovisas i kapitel 2-5. Projekttitel Utförare Projektledare Rapport Distribuerade mätsystem för förbättrade snö- och avrinningsprognoser - integrering i hydrologiska modeller Snödjupsmätningar för uppdatering av prognosmodeller Ett multi-metod system för vårflödesprognoser Klimat, vattentillgång och höga flöden i Sverige LTU och KTH Angela Lundberg Klar maj 2012 SMHI Göran Lindström Elforsk 11:71 SMHI och Lunds universitet Jonas Olsson Elforsk 11:72 SMHI Göran Lindström Elforsk 11:73 Tabell 1 Fyra utvecklingsprojekt inom HUVA rapporteras i denna rapport. 1

13 Under samma programperiod bedrevs även standardiseringsarbete, en HUVAkurs arrangerades 2010, tre HUVA-dagar hölls (2009, 2010 respektive 2011) och resebidrag till en konferens beviljades. 1.1 Standardisering inom SIS/STG Projektet SIS/TK 432 Hydrometri bildades år 1993 för att bevaka standardförslag som utvecklas inom det europeiska standardiseringsorganet CEN, vilka Sverige med automatik fastställer som nationella standarder. Sedan 2007 deltar TK 432 även i det globala arbete som drivs av ISO. Projektet behandlar: vattenhastighet, vattenföring, vattennivå, materialtransport, erosion, sedimentation och isfenomen i öppna kanaler, vattenmagasin, sjöar och hav. lufttemperatur, nederbörd och snö. infiltration, evapotranspiration, markvatten och tjäle. grundvattennivå, -rörelse och -temperatur. beskrivningar av och användningsområden för instrument, strukturer och utrustning som används för mätningar, samt värderingar av mätosäkerhet. insamling, värdering, analys, presentation och utbyte av data inom ämnesområdet. Från Sverige deltar SMHI och Elforsk, som delar lika på kostnaderna. Som representant för Elforsk deltar Björn Norell, Vattenregleringsföretagen, och som representant för SMHI deltar Bengt Göransson, SMHI. Anders Wörman, KTH, deltar som inbjuden expert. TK 432 bevakar EU:s vattendirektiv där standardiseringsarbetet drivs av CEN. Direktivet ställer ökade och förändrade krav på vattenadministrationen i medlemsländerna, bland annat genom ökade krav på användning av standardiserade metoder för mätningar och undersökningar. Inom CEN finns två aktiva arbetsgrupper med representanter från den svenska kommittén: WG 11 Measurement of snow water equivalent, med Björn Norell som sammankallande, har under hösten påbörjat ett nytt arbetsförslag om manuella mätningar av snövattenekvivalent. Under februari/mars 2011 cirkuleras dokumentet till CEN-länderna för kommentarer. WG 12 Measurement of rainfall intensity med Emanuele Vuerich (Italien), som sammankallande, fortsätter ett arbete om mätning av regnintensitet. Bernt Göransson bevakar arbetet i den arbetsgruppen. Projektet SIS/TK452 STANLI - Vattensystem hade under de första åren av sin existens främst som sin uppgift att utarbeta en svensk standard för ytvattensystem. Standarden, med beteckningen SS , publicerades på svenska och engelska år Denna standard håller nu på att revideras. 2

14 Följande organisationer är för närvarande aktiva i den tekniska kommittén för vattensystem, SIS/TK 452: Lantmäteriet, Naturvårdsverket, Sjöfartsverket, SMHI, Elforsk (representant Peter Calla, Vattenregleringsföretagen) och SGU, Sveriges Geologiska Undersökning. Stanli utvecklar standarder inom geografisk information. Syftet är att skapa samverkanslösningar till nytta för både näringsliv och offentlig sektor. Stanli deltar i såväl europeiskt som globalt standardiseringsarbete och är med och utvecklar världsstandarden för geografisk information, ISO Stanlis koncept innehåller även användarstöd och förvaltning. 1.2 HUVA-kurs HUVAs kurs i vattenkrafthydrologi organiseras av HUVA/Elforsk och vänder sig till de som vill lära sig grunderna inom meteorologi och hydrologi med koppling till vattenkraftproduktion. Kursen genomförs vartannat år och senaste tillfället var 6-7 december 2010 i Stockholm. Kraftföretag, regleringsföretag, konsulter och myndigheter fanns representerade bland de ungefär 30 deltagarna. Lärarna på kursen är experter från SMHI, Vattenfall, Fortum, E.ON, Vattenregleringsföretagen och Elforsk. Kursen innehåller meteorologi (grunder och modeller), hydrologi (grunder och modeller) och klimatförändring. Vattenreglering, tillrinningsprognoser, höga flöden i reglerade vattendrag och SMHI:s prognos- och varningsverksamhet är givna utbildningsinslag. Kursen innehåller också vattenkraftens historia och framtid, juridiska förutsättningar, inverkan av EUs ramdirektiv för vatten, samordnad beredskapsplanering och dammsäkerhet. Utvärderingen visar på mycket högt betyg från deltagarna. 1.3 HUVA-dagen Inom ramen för HUVA arrangeras årligen HUVA-dagen. HUVA-dagen utgör en samlingspunkt för intresserade av utveckling inom vattenkraftindustrins vattenhushållning och produktionsplanering. På HUVA-dagen presenteras pågående projekt inom HUVA och aktuella frågor inom området. HUVA-dagen har arrangerats 2009, 2010 och 2011 med ett 50-tal deltagare varje gång. Presentationer från HUVA-dagen (sedan 2006) finns tillgängliga på Vid senaste HUVA-dagen i december 2011 presenterades resultaten från de fyra projekt som löpt i etappen Tillämpning av resultat Under åren har ett stort antal projekt genomförts inom hydrologiområdet. De flesta projekten, ca en tredjedel, har behandlat olika sätt att försöka bestämma eller mäta snömagasinet som ju är väsentligt i vattenkraftplanering. I många av dessa fall har det lätt till att företagen har kunnat förbättra sina mät- och uppdateringsrutiner. Det näst vanligaste 3

15 ämnet har varit olika sätt att förbättra HBV-modellen och även här har det i många fall lett till förbättringar in den operativa modellen. Ett exempel på projekt som började utvecklas inom HUVA, men som idag används operationellt i HBV är PTHBV (4x4km griddade dygnsvärde för nederbörd och temperatur). Andra exempel på HUVA-projekt som vidareutvecklats och lagts in i i ordinarie system av SMHI är: HBV-96-versionen av modellen, med bättre hantering av indata (främst nederbörd), automatisk kalibrering och översyn/förbättring av modellstruktur och programkod. Sannolikhetsprognoser baserade på ensembleprognoser från ECMWF (European Centre for Medium Range Weather Forecasts) Metoder för simulering av extrema flöden enligt Flödeskommitténs riktlinjer. Uppdatering inför korttidsprognoser med AR-metoden (Auto Regressiv uppdatering). Modell för snöns densitet och snödjup HUVAs verksamhet har resulterat i kompetensuppbyggnad vid bland annat SMHI, KTH och LTU. Ett av projektet har haft nära koppling till två doktorandprojekt som delfinansierats av Svenskt vattenkraftcentrum (SVC). HUVA-gruppen utgör referensgrupp till SVCs hydrologiska verksamhet. Rapporter från HUVA-projekt sedan 2003 finns publicerade på Elforsks webbsida, Framtida behov av hydrologiskt utvecklingsarbete I april 2011 arrangerade HUVA en workshop för att i öppen dialog med tänkbara samarbetspartner lägga grunden för att utveckla HUVAs framtida verksamhet. Med inspiration från workshopen tillsammans med resultat från forskningsprojekten har HUVAs styrgrupp identifierat nedanstående frågeställningar som prioriterade att utveckla vidare till tänkbar verksamhet, i en kommande etapp. Hur kan inverkan av systematiska fel i temperatur- och nederbördsprognoser korrigeras för att förbättra tillrinningsprognosen? Hur kan modellering av snömagasinets storlek förbättras baserat användning av aktuell information om vindriktning/vindstyrka och utvecklade samband mellan vind och rumslig fördelning av nederbörd (s.k. bakgrundsfält)? Hur kan modellering av snömagasinets storlek förbättras baserat på bättre kunskap om hur vinden omfördelar snötäcket under säsongen? Vilka utmaningar finns och vilka potentiella förbättringar i tillrinningsprognoser kan erhållas vid användning av kortare tidssteg än dygn i indata för hydrologiska modeller? 4

16 Kan alternativa snörutiner som t.ex. inkluderar luftfuktighet som en indataparameter förbättra tillrinningsprognoserna? Kan anpassade/alternativa parameteruppsättningar för kalibrering av hydrologiska modeller för ovanliga eller avvikande situationer vara en framkomlig väg för bättre tillrinningsprognoser Hur kan snö- och avrinningsprognoserna förbättras genom att använda snömätning och satellitbaserad snöinformation i hydrologiska modeller Hur kan man förutspå och förhindra iskravning som kan leda till negativ påverkan på produktionsförmågan? 5

17 2 Distribuerade mätsystem för förbättrade snö- och avrinningsprognoser - integrering i hydrologiska modeller Rubricerat projekt är ett samarbetsprojekt mellan KTH, LTU och SMHI. HUVA finansierade seniorforskarna Angela Lundberg, LTU, David Gustafsson, KTH, Fredrik Wetterhall och Göran Lindström, SMHI. Svenskt VattenkraftCentrum (SVC) delfinansierade doktorander Nils Sundström och Jesper Ahlberg. Kempestiftelsen finansierade mätutrustningen. Projektet har genomförts i nära samarbete med Vattenregleringsföretagen och representanter för schweiziska forskningsgrupper samt professor Per- Erik Jansson KTH. Samverkan har även skett med andra närliggande snöprojekt på LTU och KTH. Studien pågår under fem år ( ) och detta är en sammanfattning efter ca 4,5 år. Slutrapport för projektet lämnas i april Mål De övergripande målsättningarna för projekt kan delas upp i två delar: (1) Skapa en forskarmiljö med kompetens att utveckla ett optimerat mätsystem för förbättrade avrinningsprognoser. Mätsystemet ska i första hand anpassas för fjällområden men kommer även att fungera för lägre liggande områden med skog. (2) Utveckla och analysera metoder baserade på kombinationer av olika hydrologiska modeller, uppdateringsmetoder och snödata för att uppskatta snötäckets utbredning och vatteninnehåll inom ett avrinningsområde. De vetenskapliga frågeställningarna har varit: a) Vilka interna och externa variabler bör mätas? Med interna variabler avses t ex snödjup, vattenekvivalent, densitet, våthet, temperatur, albedo, och med externa avses t ex avrinning och de meteorologiska drivvariablerna lufttemperatur, nederbörd, vindhastighet mm., dvs. interna och externa variabler med avseende på systemet snötäcket. b) Vilken rums- och tidsupplösning krävs? c) Vilken modell och uppdateringsmetod ger bäst resultat utifrån tillgängliga data? 6

18 d) Vilka metoder bör användas för att mäta variablerna? e) Hur förfinar och vidareutvecklar man dessa mätmetoder och modeller? Målsättningarna för att uppnå projektets syfte var följande: bygga upp och testa ett kostnadseffektivt, optimerat nätverk av meteorologiska stationer för högkvalitativa punktmätningar (hög tidsupplösning och hög noggrannhet) av klimatvariabler samt snöparametrarna; djup, densitet, fuktighet och vattenekvivalenten. Dessa kontinuerliga punktmätningar kompletteras med mätningar av den rumsliga variationen i snöparametrarna. testa och vidareutveckla olika tekniker för mätningar av snöns djup, densitet, fuktighet och vatteninnehåll som görs med markradar, snökuddar, SPA (snow pack analysing system, Wolfram Sommer), samt med handburna sensorer för snabba GPS-markerade punktmätningar av snödjup och snödensitet (Mathew Sturm, Wolfram Sommer) utveckla användandet av snödjupsmätningar och modellsimuleringar för att korrigera vinternederbörden, och på så sätt förbättra modellernas simulering av snötäckets uppbyggnad under förvintern. samla in och ta till vara hittills outnyttjade snödjupsdata för korrigering av nederbördsdata, samt analysera vinsten av att inkludera ytterligare automatiska snödjupstationer inom området. utföra en multivariabel analys av vilka kombinationer av modeller, uppdateringsmetoder och data som är mest effektiva i förhållande till förbättringen av uppskattningen av snömagasinets storlek och snösmältningens förlopp. 2.2 Genomförande Projektet har följt huvudmålsättningarna att utveckla mätsystem och att utveckla assimileringen av snödata i modelleringen, samt att skapa en god forskarmiljö. Arbetet med att utveckla mätsystemen har genomförts både genom experiment/fältmätningar och via teoriutveckling/modellering. Eftersom syftet med fältmätningarna har varit både att utvärdera mätteknikerna och att samla in data till utvecklingen av modellsystemet har de flesta projektdeltagarna både de med fokus på mätteknik och de med fokus på modelleringen deltagit i dessa. Detta har utgjort en viktig del i skapandet av en kreativ forskarmiljö och stärkt samarbetet inom gruppen. Fältmätningarna har dessutom utförts i nära samarbete med Vattenregleringsföretagen och planerats i samråd med Länsstyrelsen, (tillståndsprövning). Dessa har bidragit med både resurser och kunskap om den praktiska verkligheten och dess begränsningar. 7

19 Utveckling och programmering av delvis nya snömodeller och assimileringsrutiner och integrering av dessa i en hydrologisk modell jämförbar med det system som används av vattenkraftsproducenterna idag (HBV) har genomförts. Dessutom har flera simuleringsstudier med hjälp av de data som samlats in i projektet utförts. Syftet med modell- och programutvecklingen har varit att utveckla ett system för att kunna testa olika hypoteser kopplat till de frågeställningar som listats ovan, samt att utveckla ett antal oberoende programmoduler som skall kunna kopplas till vilket modellsystem som helst. Arbete pågår för att koppla projektets snö- och assimileringsmoduler till SMHIs nya hydrologiska modell HYPE. Projektets genomförande kan sammanfattas med följande lista av utförda aktiviteter och studier: Markradar för mätning av rumslig snöfördelning upphandling, inköp och fältanpassning av markradarsystem för skoterburna mätningar med multi-offset uppställning utveckling av metoder och beräkningsprogram för utvärdering av multi-offset markradardata för bestämning av snödjup, våthet, densitet, och vattenekvivalent (Gustafsson et al., 2009; Granlund 2009; Sundström (fd. Granlund) et al., 2011) laborativa experiment för att utveckla metoder att bestämma fukthalt från amplitudutsläckning (Granlund et al., 2008, 2009, 2010) fältexperiment för att utvärdera olika metoder att bestämma djup, densitet, fukthalt och vattenekvivalent direkt från markradardata (Gustafsson et al., 2009; Granlund 2009; Sundström (fd. Granlund) et al., 2011) minst 1 veckas fältkampanj per år (2007, 2008, 2009, 2010, och 2011) för att samla in distribuerade mätdata till modelleringsstudierna de flesta år har mätningar utförts i både Korsvattnets och Kultsjöns tillrinningsområden. (Granlund et al., 2009; Gustafsson et al., 2009). Utveckling av metoder för bestämning av lokalisering av lämpliga mätlinjer Automatiska snömätningar Upphandling, installation, drift och utvärdering av en automatisk mätstation för detaljerade mätningar av snötäckets egenskaper; mätstationen installerades i Korsvattnet i februari 2008 och innehåller följande sensorer SPA (snow pack analysing system, Sommer, Österrike) för bestämning av snöns densitet och fukthalt, en snökudde för bestämning av snöns vattenekvivalent, ultraljudsensor för snödjupsmätning, lufttemperatur, luftfuktighet, IRyttemperatur, inkommande och reflekterad kortvågig strålning för bestämning av albedo, snötemperatur på olika nivåer. Stationen har varit i drift sedan starten med avbrott under sommarhalvåret. Övrigt snömätningsmetoder Litteraturstudie av operationellt använda och användbara mätmetoder för bestämning av snövattenekvivalent (Lundberg et al., 2010). 8

20 Ett antal manuella mätmetoder har använts som referens till markradarmätningarna vid de årliga fältkampanjerna: * traditionell mätning av djup, densitet och vattenekvivalent med snörör och vägning av snöprovet, * manuell snödjupssond med automatisk avläsning och GPSpositionering (Mathew Sturm, USA), Snow fork (Finland) för bestämning av fukthalt (se tex Sundström et al., 2011, Sundström et al., 2012) Snömodellering och data assimilering Utveckling av en distribuerad snömodell (Ahlberg & Gustafsson, 2009; Gustafsson et al., 2009, Ahlberg et al., 2010) som kan kopplas till valfri hydrologisk modell (till exempel HBV eller HYPE modellerna som utvecklats av SMHI) och som har möjlighet att testa olika rumslig distribution (2D grid, eller landskapsklasser) och olika processrepresentation (graddagsenergibalans) Utveckling av ny metod för att bestämma fasen (snö eller regn) på uppmätt nederbörd genom bestämning av typen av frontpassage (Feiccabrino et al., 2009; 2011; 2012) Utvecklingen av en rutin för automatisk uppdatering av modelltillstånd med hjälp av den distribuerade snöinformationen genom så kallad data assimilering; rutinen är baserad på Ensemble Kalman filtermetoden (Evensen, 1994; Ahlberg & Gustafsson, 2009; Gustafsson et al., 2009; Ahlberg et al., 2010; Gustafsson et al., 2010). Utvärdering av vilka kombinationer av snömodellstruktur, snödata, samt data assimileringsmetod som leder till störst förbättring av avrinningsprognoserna med avseende på tidpunkt, flöde och total volym. Detta moment är bara delvis genomfört (Ahlberg & Gustafsson, 2009, Gustafsson et al., 2009; Ahlberg et al., 2010, Gustafsson et al., 2010), men kommer att slutföras under den återstående delen av projektet. 2.3 Resultat Projektet har lyckats väl med att skapa en god forskarmiljö. I projektet har forskare och doktorander med snö- och modellteknikskompetens från de två lärosätena LTU och KTH samarbetat med SMHI för att utveckla ett optimerat mät- och modellsystem för avrinningsmodellering i snörika områden. Ett flertal lyckade delstudier har genomförts och pågår inom projektet: En genomgång av olika markbundna snömätningstekniker har genomförts för att öka kännedomen om vilka metoder som används i andra länder. Tester och vidareutveckling av en rad mättekniker för punktmätning (tex snökuddar, automatiska snödjups- och snödensitetssensorer) och areell mätning av snötäckets densitet, djup och våthet (markradar och automatisk snödjupsmätare) har genomförts. Radartekniken har t.ex. vidareutvecklas genom att utnyttja amplitudutsläckning och den extra information som fås genom att göra mätningar via flera olika kanaler samtidigt. 9

21 En ny snömodell (subrutin till SMHI:s nya hydrologiska simuleringssystem HYSS/HYPE) har utvecklats för test av olika val av modellstruktur. Modellen kan i princip kopplas till vilken hydrologisk modellplattform som helst. Den rumsliga distributionen av snö- och markmodellen kan väljas fritt och distribuering i gridnät med olika upplösning, eller distribuering i klasser uppdelade enligt höjd, lutning, vädersträck och vegetation testas. En dataassimileringsrutin baserad på Ensemble Kalmanfilter (EnKF) har utvecklats för integrering av snöinformation. Metoden uppdaterar parametervärden och modelltillstånd, som funktion av kovariansen mellan modellfel och modelltillstånd, parametrar och inputvariabler. EnKF ger förutom en automatisk uppdatering och kalibrering även en värdefull uppskattning av osäkerheter i resultaten. Metoden kräver att en ensemble av i storleksordningen 100 modeller måste köras parallellt, vilket ställer högre krav på minnes- och beräkningskapacitet hos de datorsystem som används för beräkningen. Det bör dock inte vara några problem för de flesta tillämpningar inom vattenregleringen såvida inte en väldigt högupplöst distribuerad snömodell skall användas. De markburna radarmätningarna av snövattenekvivalenten har visat sig minska osäkerheterna och förbättrar prognoserna mer än motsvarande manuella mätningar. En jämförelse av hur väl olika metoder att separera snö- och regnnederbörd överensstämmer med uppmätt nederbördsfas visar att en dubbel exponent funktion bäst beskriver hur andelen snö beror av lufttemperaturen vid markytan. Ett nydanande angreppssätt att förbättra bestämningen av andelen regn- och snönederbörd visar att man utifrån existerande markobservationer kan bestämma vilken typ av frontpassage som producerar nederbörden. Man kan minska andelen felklassad nederbörd genom att använda olika tröskeltemperaturer för olika typer av frontpassager. Preliminära analyser (endast 2 av 5 år och endast Korsvattnet) visar att assimilering av distribuerad snöinformation i en distribuerad snömodell generellt ger en större korrigering av vårflodens volym än assimilering av medelvärdet av samma data i en odistribuerad modell. Vissa år leder detta till kraftigt förbättrad vårflodsvolym, medan det andra år leder till kraftigt överskattad volym. Assimilering av automatiska stationsmätningar av olika snöegenskaper (fuktighet, djup, vattenekvivalent, densitet, mm) har visat sig leda till generellt förbättrad simulering av snötäckets utveckling i den enskilda punkten, såväl ackumulation som smältförlopp. Det är dock ännu oklart om denna information kan användas för att förbättra simuleringen av hela avrinningsområdets snösmältning och ackumulation. Den nyutvecklade metoden för att bestämma fukthalten i snö med markradar baserat på analys av amplitudutsläckning utvärderades i ett fältexperiment och visades ge en klar förbättring av bestämningen av vattenekvivalenten. Det visades dock också att osäkerheten i bestämningen av fukthalten bidrog mindre till den totala osäkerheten 10

22 än den osäkerhet som beror på bestämningen av radarvågens hastighet (och därmed densiteten när väl fukthalten är känd). Genomförd avhandling: Nils Granlund (numera Sundström) Estimation of Snow Wetness using Multi-Offset Ground Penetrating Radar Towards more Accurate Estimates of Snow Water Licentiatavhandling, Avdelningen för Geovetenskap och miljöteknik, Institutionen för samhällsbyggnad och naturresurser Luleå University of Technology. ISBN (print) nils&uri 2.4 Framtida studier Avslutning av det befintliga projektet Under projektets avslutningsfas kommer fokus ligga på analys av hur och om assimileringen av distribuerade snödata leder till förbättrade avrinningsprognoser. Projektet har nu data från 5 år från två lokaler med olika karaktär, och det bör ge tydligare resultat om möjligheten att förbättra prognoserna för vårflodens volym med den här typen av snödata. Mätinformationen från den automatiska stationen i Korsvattnet kommer även att utvärderas närmare; dels för att studera till vilken grad denna typ av mätningar kan bidra till att förbättra snöackumulationen och snösmältningens förlopp, och dels för att jämföra den så kallade SPA-sensorn med snökudden med avseende på snöekvivalenten och med snötemperaturmätningarna med avseende på fukthalt och bestämning av pågående snösmältning. En analys av de befintliga markradarmätningarna bör kunna klargöra vilken noggrannhet eller osäkerhet som kan uppnås genom olika kombinationer av manuella och mer eller mindre komplicerade markradaruppställningar. Syftet är att komma fram till en markradarmetodik som ger ett resultat med tillräckligt liten osäkerhet med enklast möjliga medel. De tidigare resultaten i projektet visar att den största felkällan tycks ligga i bestämningen av radarvågens hastighet (och i förlängningen i densiteten) och inte i bestämningen av till exempel i fukthalten. Den slutliga studien skall klargöra ifall en kombination av manuella mätningar och radarmätningar är en framkomlig väg för att minska denna osäkerhet, eller om det finns är bättre att utnyttja flera olika radarfrekvenser för att uppnå samma sak. Assimilering av fjärranalysdata i snöhydrologisk modellering Informationen i de distribuerade snömätningarna med markradar som utförs ungefär vid tidpunkten för ackumulationsmaximum strax före snösmältningens början förväntas i första hand påverka bestämningen av vårflodens volym och till mindre grad dess förlopp. Snöfördelningen kan visserligen påverka snösmältningens förlopp; (om snön t ex bara ligger kvar på en liten del av området fås generell ett långsammare förlopp men om snön ligger på en del av området med högre smältintensitet fås ett hastigare förlopp). Förmodligen finns det betydligt större utvecklingspotential i att använda fjärranalysinformation för att korrigera snösmältningssimuleringen denna metod är redan väl beprövad t ex i Norge och i tidigare projekt i Sverige. 11

23 Som en naturlig fortsättning ser vi därför ett projekt med syfte att inkludera fjärranalysdata i samma dataassimileringsystem som utvecklats i detta projekt. Det finns nu flera färdiga fjärranalysprodukter för både vattenekvivalent och snöutbredning (t ex GlobSnow och Polarview), och nya produkter med högre rumslig upplösning är under utveckling i t ex EUprojektet Cryoland där SMHI är med och samordnar en användargrupp som skall testa produkterna. Ett fjärranalysprojekt skulle kunna utföras med redan befintliga modeller och markradardata som bas. Projektet skulle dock kunna stärkas av att mätserierna i Korsvattnet och Kultsjön förlängdes och eventuellt anpassades till tillgången på fjärranalysdata. Ett samarbete har redan initierats med MIMSO-projektet vid Stockholms universitet. Inom detta projekt kommer fältmätningar i Hemavan att bedrivas med syfte att förbättra fjärranalysmätningar av snö. En ansökan har skickats från vår projektgrupp till Rymdstyrelsen för att kunna komplettera MIMSO-projektet. Vi kan bidra med hydrologisk modellering och utvärdering av fjärranalysdata både genom markradarmätningar och utvärdering av modellresultat mot uppmätt avrinning. Vidareutveckling av markradartekniken för snömätningar Det har visat sig att det är en nackdel med användning av multipla kanaler för att bestämma radarvågens hastighet i snö då man ökar osäkerheterna i form av de manuella tolkningarna av markreflektionen. Det finns således ett stort behov av utvecklingen av robusta och enkelt tillämpbara metoder för att bestämma radarvågens hastighet i snön utan att behöva mäta i flera kanaler. En sådan väg är via analys av mätningar med olika frekvenser, vilket är vanligt inom fjärranalys. Preliminära försök pågår på KTH i form av examensarbeten och mätningar på jordmaterial. Vidareutveckling av metoden att bestämma nederbördsfasen baserat på bestämning av typen av frontpassage. Metoden att bestämma nederbördsfasen med hjälp av information om atmosfärens tillstånd, t ex bestämning av typ av frontpassage från vanliga meteorologiska observationer (temperatur, vindhastighet vindriktning), är mycket lovande och skulle kunna vidareutvecklas. Ett viktigt led i denna forskning blir att närmare studera känsligheten av betydelse av nederbördsfas i hydrologisk modelling. Preliminära studier visar till exempel och inte oväntat, att känsligheten är större i områden där en stor del av nederbörden faller i temperaturområdet nära eller över 0 C. Planerade avhandlingar Jesper Ahlberg Snow melt runoff simulations using ensemble Kalman filter assimilation of distributed snow data. Planerad James Feiccabrio Improving Precipitation Phase determination I hydrological models. Avdelningen för Geovetenskap och miljöteknik, Institutionen för samhällsbyggnad och naturresurser Luleå University of Technology. Planerad mars Nils Sundström Estimation of Snow Wetness using Ground Penetrating Radar Towards more Accurate Estimates of Snow Water. 12

24 Doktorsavhandling. Avdelningen för Geovetenskap och miljöteknik. Planerad hösten Referenser Referenser markerade med * är genomförda helt eller delvis inom detta projekt *Ahlberg. J, Gustafsson D Snow melt runoff simulations using ensemble Kalman filter assimilation of distributed snow data. Nordic Hydrological Conference, Riga August 2010 (Awarded best PhD oral presentation). * Ahlberg J, Gustafsson D, Distributed snow modelling integrating ground penetrating radar data for improved runoff predictions in a Swedish mountain basin. Geophysical Research Abstracts, Vol. 11, EGU Evensen, G Sequential data assimilation with a nonlinear quasigeostrphic model using Monte Carlo methods to forecast error statistics. Journal of Geophys Research: * Feiccabrino, J. & Lundberg, A Precipitation phase discrimination in Sweden Proceedings 65th Eastern Snow Conference. s *Feiccabrino, J, Lundberg A, Gustafsson D, Improving Precipitation Phase Determination through Air Mass Boundary Identification. Accepted for publication in Hydrology Research. * Feiccabrino, J., Lundberg A. and Gustafsson, D Surface Based Precipitation Phase Determination Methods in Hydrological Models. Submitted November 1, 2011 to Hydrology Research special issue 18the Northern research basin, Norway. Lindström, G., Johansson, B., Persson, M., Gardelin, M. and Bergström, S Development and test of the distributed HBV-96 hydrological model. Journal of Hydrology, 201: Lindström, G., Pers, C. Rosberg, J., Strömqvist, J. and Arheimer, B Development and test of the HYPE (Hydrological Predictions for the Environment) model - A water quality model for different spatial scales. Hydrological Research 41 (3-4): * Lundberg, A., Granlund, N., Gustafsson, D Towards automated 'ground truth' snow measurements-a review of operational and new measurement methods for Sweden, Norway, and Finland Hydrol Proc, 24 (14), pp Cited 1 time. * Sundström N., Gustafsson D., Kruglyak A. and Lundberg A Field Evaluation of Two Methods for Estimating Snow Water Equivalent of Wet Snowpacks with Ground Penetrating Radar. Submitted to Hydrology research. 13