Vårflodsprognoser med snöuppdatering

Relevanta dokument
Göran Lindström & Joel Dahné. Snödjupsmätningar för uppdatering av prognosmodeller

VÅRFLODSPROGNOSER MED SNÖUPPDATERING

Joel Dahné, David Gustafsson, Barbro Johansson Vindrelaterad snöfördelning i hydrologiska modeller

Distribuerade system för förbättrade snöoch avrinningsprognoser Integration i hydrologiska modeller Rapport 3, 2010

Mätsystem för förbättrade snö- och avrinningsprognoser

Snömätningsanalys för utveckling av vårflodsprognosering i Vängelsjöns delavrinningsområde

Korrektion av systematiska fel i meteorologiska prognoser: en förstudie om vårflodsprognoser

Metodkonferensen Norrköping, Osäkerheter i hydrologiska modeller

Snövattenekvivalentuppskatning med markradar

HUVA - Hydrologiskt Utvecklingsarbete inom Vattenkraftindustrin. Tillrinning. Björn Norell

Snödjupsmätningar för uppdatering av prognosmodeller. Elforsk rapport 11:71

Angela Lundberg & Nils Granlund, LTU David Gustafsson & Jesper Ahlberg, KTH Göran Lindström, SMHI Finansiärer: SVC, HUVA & Kempestiftelsen

Snötäckningsgrad från satellitobservationer i HBV-96 Barbro Johansson Karen Lundholm Anders Gyllander

ISIS2 Satellit- och meteorologibaserad undersökning av snö för rennäringens behov

Dagens system: klimatologisk ensemble

HUVA - Hydrologiskt Utvecklingsarbete inom Vattenkraftindustrin

Elin Sjökvist och Gustav Strandberg. Att beräkna framtidens klimat

Höga flöden en tillbakablick Riksmöte 2010 för vattenorganisationer Göran Lindström/SMHI

Källa: SNA, Klimat, sjöar och vattendrag

Elin Sjökvist och Gustav Strandberg. Att beräkna framtidens klimat

Nya metoder för att mäta snöegenskaper

Beräknad naturlig vattenföring i Dalälven

Klimatsimuleringar. Torben Königk, Rossby Centre/ SMHI

Intensiv nederbörd och hydrologisk risk: mot högupplösta flödesprognoser Jonas Olsson

Vattenreglering vad är det?

Ola Hammarberg Vattenregleringsföretagen Östersund

Metaller och miljögifter: NET-modellen, ett kartläggningsverktyg för miljögiftspåverkan

Hydrologiska prognos- och varningstjänsten, SMHI

Rymden för SMHI och din vardag. Jordobservationer för väder, vatten och klimat

Vidareutveckling och utvärdering av distribuerad hydrologisk modell

Mätningar och Modeller. Hydrologi för länsstyrelser

Hydrologiska Prognosmodeller med exempel från Vänern och Mölndalsån. Sten Lindell

Klimatkorrigerad investeringsstrategi

Distribuerade system för förbättrade snö- och avrinningsprognoser

Hydrologiska prognosoch varningstjänsten SMHI

Nedisningsprognoser för vindkraft. Vintervind mars 2008 i Åsele

Extrema väder ett ökande problem? Göran Lindström SMHI

Hydrologiska modeller

HUVA-dagen Spårvagnshallarna, Birger Jarslgatan 57 A, 7 dec Fredrik Martinsson, programansvarig för HUVA Peter Calla, ordförande HUVA

Klimatscenarier och klimatprognoser. Torben Königk, Rossby Centre/ SMHI

TILLGÄNGLIGHET TILL UPPGIFTER FRÅN SMHI

UTVÄRDERING AV MULTIMETODMODELLENS SÄSONGSPROGNOSER 2017

Klimathistoria. Skillnad dagens klimat/istid, globalt 6ºC Temperatur, koldioxid, och metan har varierat likartat. idag Senaste istiden

Framtidens översvämningsrisker

HUVA Slutrapport Hydrologiskt UtVecklingsArbete. Elforsk rapport 12:18

Multifraktaler och fysiskt baserade skattningar av extrema flöden

Radardata för högupplösta nederbördsanalyser och hydrologiska prognoser. Peter Berg, Emil Björck, Lars Norin, Jonas Olsson, Wei Yang

Klimat och hydrologi

Sannolikhetsmodellering av is på vindkraftverk genom deterministisk sampling

Dimensionerande nederbörd igår, idag och imorgon Jonas German, SMHI

VINDRELATERAD SNÖFÖRDELNING I HYDROLOGISKA MODELLER

Linnéa Gimbergson, Barbro Johansson, Julia Zabori, Joel Dahné, Johan Södling, Carolina Cantone. Klimatdatatjänster för Europa Clim4Energy och SWICCA

Den svenska hydrologiska tjänsten Gunlög Wennerberg

Nr 99, Hydrologi. Utvärdering av SMHIs hydrologiska prognos- och varningstjänst under vårfloden i fjällen juni 2005.

Synpunkter på Hjälpreda för bedömning av påverkan och miljöproblem

Avbördningskurva utan fältmätningar?

Chantal Donnelly, Berit Arheimer, Hydrologienheten, FoU. Hur kommer vattenflöden och näringsämnestransport i Sverige och Europa att påverkas?

Från klimatmodell till hydrologiska tillämpningar

Framtidsklimat i Hallands län

Effekter i skog, mark och vatten. Presenterat av Filip Moldan (IVL), Martin Rappe George (SLU) och Göran Lindström (SMHI)

Klimatanpassning i utvecklingsländer svensk expertis på export

MetCoOp och Arome en mesoskalig operationell. väderprognos. Heiner Körnich, Meteorologisk Metodkonferens, Norrköping, 26/9/2013

UTNYTTJANDE AV TEMPERATURENS PERSISTENS VID BERÄKNING AV VOL YMSPROGNOSER MED HBV-MODELLEN. Magnus Persson

Modeller för små och stora beslut

Mätningar och indata Hur modellerna är uppbyggda Felkällor Statistiska tolkningar Ensembler Starka/Svaga sidor. Vad Mäts?

SMHIHYDROLOGI. Stationstäthet och hydrologiska. prognoser. Projektet är finansierat av Vattenregleringsföretagens Samarbetsorgan (V ASO/HUV A)

Radarmätning av snö på 80-taletvad har hänt sedan dess PETER ULRIKSEN LUNDS TEKNISKA HÖGSKOLA

För Göta Älv har istället planeringsnivåer tas fram för de olika havsnivåpeakar som uppstår i samband med storm, exempelvis som vid stormen Gudrun.

Vattenkvalitet.se. från forskning till fungerande tillämpning. Petra Philipson Vattenfall Power Consultant AB. Vattenfall AB

Hur ser skogsnäringen på ökande mängder av satellitdata? Erik Willén

Snötaxering med georadar Bättre vårflödesprognoser med HBV-modellen? Hydrologi

Uppbyggnad och tillämpning av en vattendragsmodell för Emån Ola Nordblom Lars-Göran Gustafsson Mona Sassner Paul Widenberg. Holsbybrunn

Copernicus och Swea. Björn Lovén

KORREKTION AV SYSTEMATISKA FEL I METEOROLOGISKA PROGNOSER

Nederbörd. VVRA05 Vatten 1 Feb 2019 Erik Nilsson, TVRL

Klimatscenarier för analys av klimatpåverkan

Meteorologi - Grunder och introduktion - Meteorologiska modeller och prognoser

Klimatförändringarnas effekter på vattenkraften

Sannolikhetsprognoser för nedisning på vindturbiner

The Dundee Hydrological Regime Alteration Method (DHRAM) Åsa Widén

Klimatförändringen inverkan idag och i framtiden

Påverkan, anpassning och sårbarhet IPCC:s sammanställning Sten Bergström

SMHIs Hydrologiska prognos- och varningstjänsten - reflektioner efter vårfloden Sara-Sofia Asp

EXPEDITIONSRAPPORT FRÅN U/F ARGOS CRUISE REPORT FROM R/V ARGOS

Lule älv Åtgärder som påverkar produktionen

Höga vattenflöden i reglerade älvar. Sten Bergström

:::.:_. SNOMATNING.. l\1ed.. GEORADAR.. OCH SNOTAXERINGAR I OVRE LULEALVEN. Försök med uppdatering av vårflödesprognosema. Maja.

Hur ser det förändrade klimatet ut? Extremare väder?

Vädrets makter. Föreläsning 6 Djup konvektion, superceller och tromber Tropisk meteorologi och orkaner Väderprognoser

Klimatet i framtiden Våtare Västsverige?

Klimatanpassning i Sverige: sammanfattande perspektiv och vattenexempel

Projekt Sjölyftet - bättre kunskap om sjöarna

Storskaliga fenomen: Monsun, jetströmmar, Rossbyvågor, NAO och ENSO. Marcus Löfverström

Öppna data, Metodkonferens SMHI öppnar mer och mer

Meteorologi. Läran om vädret

Bearbetning av Terrängmodell över Göta och Nordre Älv (SWEREF99TM RH2000)

Översvämningskartering av Rinkabysjön

Rapport från SMHIs utsjöexpedition med R/V Aranda

version januari 2019 Manual SMHI klimatdata

How reporting WFD to EU supports public participation resulting in better water quality

Transkript:

Vårflodsprognoser med snöuppdatering David Gustafsson, Göran Lindström, Anna Kuentz HUVA-dagen, 2015-12-02, Stockholm?

Operationella snöobservationer i Sverige Sedan 1800-talet Snödjup: 600+ stationer, dagliga (SMHI) Sedan 1960-70 talet (?) Snövattenekvivalent (VE): ~20 x 1km(?) årliga transekter (olika vattenkraftsbolag) Sedan 1990-talet VE: ~10 2 km, helikopter-markradar, årligen (Radarteam, Vattenregleringsföretagen, Vattenfall AB) Sedan 2010 VE: vid ~50 regleringsdammar, 1-2 veckor (Vattenregleringsföretagen AB) 2007-2015 VE: ~30 km skoter-markradar (KTH/SMHI/SU/VRF)

Satellitbaserad snöinformation Befintliga tjänster CryoLand, www.cryoland.eu GlobSnow www.globsnow.info MODIS nsidc.org AMSR2 mfl Snövariabler Snötäckningsgrad - optiska sensorer känsliga för moln och låg sol Snötäckningsgrad - radarsensorer dyrare/färre dataset Snövattenekvivalent Passiv mikorvåg + markobservationer Blöt snö - baserad på radar ej känslig för moln! Framtida tjänster/sensorer Europeiska satellitserien Sentinel: Högre täckningsgrad, högre upplösning, flera olika sensorer (dock inte passiv mikrovåg) Fritt tillgängliga data Kostsam bearbetning så räkna med betaltjänster!

Hur passar alla dessa data ihop? Indata - P och T PTHBV-grid (4x4 km 2 ) - Höjddata EU-DEM, 25x25 m 2 Snöbservationer - SMHI snödjupstation (punkt, dagliga) - VRF snöpinnar, djup, densitet, vattenekvivalent (punkter, 1-2 v) - Vattenfall, SVF, VRF snölinjer (1/år) Satellitdata (CryoLand, HSAF, mfl) - Snötäckningsgrad 1x1 km 2 - Vattenekvivalent 25x25 km 2

Problemställning Det finns mycket snöobservationer som inte utnyttjas i hydrologiska prognoser Svårt att förbättra vårflodsprognoser genom uppdatering med snöobservationer Syften Att utveckla och utvärdera: 1) en enkel metod för regional uppdatering av en hydrologisk modell med hjälp av operationella snödjupsobservationer från SMHI 2) modelluppdatering genom så kallad data-assimilering av satellitbaserad snöinformation i kombination med markbaserade snömätningar

Snödjupskarta baserad på mätningar 601 stationer totalt 32 stationer med bra kvalitet Medelsnödjup(höjd) Korrelation(avstånd)

Snödjupen samvarierar över långa avstånd 601 stationer 32 stationer (bra kvalitet)

Samvarierar mer i nord-sydlig riktning än i öst-västlig riktning (på korta avstånd) Nord-syd Öst-väst

Modellering av Q och snödjup Förenklad HBV-modell NSE 97 vattenföringsstationer: 200-2000 km 2 Låg regleringsgrad 4 parametrar per område kalibrerades <NSE> = 0.85 (S-HYPE: 0.87) 413 snödjupsstationer: 2 parametrar per station kalibrerades <NSE> = 0.63 Vattenföring Snödjup

Exempel 1) Snödjup Malungs klimatstation 2) Vattenföring och snödjup, Medstugusjöns avrinningsområde Snödjup från snödjupskartan

Testade uppdateringsmetoder Direkta metoder eller indexmetoder 1. Uppskattning av snödjupet i varje delområde: Direkt ersättning av modellerat snödjup med uppmätt (interpolerat) snödjup enligt snödjupskartan. Systematiska skillnader mellan de uppmätta snödjupen och modellen rättades först i varje avrinningsområde. 2. Överföring av felen vid mätpunkter: I varje avrinningsområde uppskattades ett förväntat fel i snödjup med hjälp av felen i snödjup vid de tre närmaste snödjupsstationerna. Dessa fel viktades med hänsyn till avståndet. 3. Överföring av avvikelsen från normalvärden: Avvikelsen i snödjup från ett normalvärde för den aktuella dagen enligt snödjupskartan överfördes till modellen så att samma avvikelse från modellens normalvärden erhölls. 4. Som 1., men med snöns höjdkorrektion i %/100 m i stället för cm/100 m. I alla metoderna kan en följsamhet < 1 anges. Densiteten förändras inte vid uppdateringarna. Nyttan mäts mha NSE (R2) och volymfel över vårfloden (1/4 30/6)

Resultat Uppdateringen försämrar utom för klimatologiska drivdata Men Realtids-PTHBV är mycket bättre än klimatologi Uppdatering under smältperioden kan leda till tidsförskjutningar

Varför hjälpte inte uppdateringen? Nederbörd = snöfallets vatteninnehåll Snödjupet mäts vid nederbördsstationer, punkter där man redan mäter nederbördens vatteninnehåll (snö får tina inomhus) Modellen fungerade relativt bra innan uppdateringen, <NSE> = 0.85. Kvaliteten i snödjupsmätningarna tveksam, sporadiska mätningar? Från www.smhi.se

Slutsatser och rekommendationer Snödjupen är korrelerade i rummet, vilket kan användas till att ta fram en snödjupskarta baserad på mätvärdena. Uppdateringen med hjälp av SMHIs snödjupsdata försämrade resultaten jämfört med en modell driven med Arkiv-PTHBV. Jämfört med klimatologiska drivdata gav uppdateringen förbättringar, men Realtids-PTHBV är å andra sidan betydligt bättre än klimatologiska data. Möjligen är det bättre att endast uppdatera under ackumulationsfasen (här före 1 mars). En förbättrad densitetsmodell togs fram. Snödjupen mäts på samma plats som nederbörden. Det är möjligt att nya punkter där nederbörden inte mäts skulle kunna förbättra resultaten.

Assimilering av satellit- och markbaserade snöobservationer Distribuerad snömodell Distribuerad snömodell (4x4 km 2 ) för PTHBV-grid Extra delområden för varje snöobservationspunkt Snödata Satellitdata (täckningsgrad och vattenekvivalent) från CryoLand Snödjup (SMHI + VRF dammar) Vattenekvivalent (VRF dammar, VF linjer, SVF punkter) Modelluppdatering med Ensemble Kalman filter Modellensemble med slumpmässigt genererad variation i drivdata Uppdatering enligt kovarians modelltillstånd och skillnad modell-snöobs Alla modelltillstånd uppdateras (inte bara snödjup eller snövattenekvivalent)

Integrering av satellitdata i EU-projektet CryoLand EU FP7 CryoLand 2011-2015 Produkter och webtjänster för satellitbaserad snö- och isdata Data integration Verktyg för integrering av CryoLands snöprodukter i hydrologiska prognossystem: Nedladdning, processering och assimilering Hydrologisk modellering Utvärdera effekt på simulerad vattenföring vid assimilering av CryoLands snödata?

CryoLand SWE vs S-HYPE modellen Pan-European SWE product (FMI) Good agreement in central part of middle and northern Sweden: Forests Non-mountain areas KGE CC High Correlation is high (except for the south) Low Variability and Mean value differs: In the south (little snow and lakes) along the east coast western mountain range Problem for the satellite or model? Mountains, surface water, coastal areas, areas with small amount of snow SD m /SD s M m /M s 2 1 0

Model and data comparison FSC Pan-European optical product ENVEO/SYKE In general a very good agreement between model and satellite data throughout Sweden KGE CC High However, the temporal variability is different in the most alpine part of the mountains in northern Sweden SD m /SD s M m /M s 2 Low Transmissivity model is welladapted to boreal forests. 1 0

Good exmple: Abiskojokki, northern Sweden. Both SWE and FSC data improve stream flow simulations 200 200 Runoff m 3 /s 100 Reference model SWE assimilation observations 100 Reference model FSC assimilation observations 0 0 600 600 SWE mm 400 200 400 200 0 0 1 1 FSC - 0.5 0.5 0 10-12 01-13 04-13 07-13 10-13 0 10-12 01-13 04-13 07-13 10-13

Förbättring av simulerad vattenföring? Små förändringar bara att införa ensemblerna ger viss förbättring SWE-assimilation försämrade modellen i 7 fall och förbättrade i 2 fall. FSC-assimilation förbättrade modellen i 5 av 9 fall. Simulation KGE A B C D E F G H I Improved/reduced performance (sum) Deterministi Q 0.44 0.84 0.55 0.67 0.41 0.82 0.82 0.88 0.57 reference c Ensemble Q 0.47 0.86 0.53 0.64 0.44 0.85 0.82 0.90 0.56 5 improved, 3 reduced (+2) EnKF_SWE Q 0.83 0.80 0.19 0.34 0.55 0.49 0.81 0.53 0.56 2 improved, 7 reduced (-5) EnKF_FSC Q 0.61 0.85 0.56 0.72-0.04 0.64 0.82 0.88 0.62 5 improved, 2 reduced (+3) EnKF_FSCM Q 0.41 0.68 0.55 0.54 0.47 0.64 0.58 0.80 0.54 1 improved, 7 reduced (-6)

HOPE model application Simple HBV type of snow/soil model on the 4x4 km2 PTHBV grid Up to 160 SLC classes for different snow accumulation/melt regimes Runoff is aggregated for the VRF forecast areas in Lule river, Skellefte river, Ume river, Ångerman river and Indals river. Snow data SMHI snow depth stations VRF/VF/SVF snow water equivalent point data at regulation dams CryoLand SWE and Snow cover (satellite) Local runoff estimated for each forecast area

4x4km 2 PTHBV 0.1 x0.1 sve-grid Prognosområden VRF sve-mätning SMHI snödjupsmätning m över havet

Assimilering i vårflodsprognoser med HOPE 5 testområden (prognosområden hos VRF/VF/SVF) 6 år med snöobservationer (2010-2015) Initialisering av modell inför prognoser 15/2, 15/4 och 15/6 med assimilering av: tillrinning (Q) Snövattenekvivalent (SWE) markbaserad! Snödjup (SD) Snötäckningsgrad (FSC) från CryoLand Area Snömagasin (medel 2010-2015) Område Älv km2 15/2 15/4 15/6 15/6 (% av 15/4) Tjaktjajaure Luleälven 2256 376 520 258 50% Riebnesjaure Skellefteälven 976 290 440 147 33% Överuman Umeälven 653 402 663 236 36% Kultsjön Ångermanälv en 1095 357 498 118 24% Landösjön Indalsälven 1453 148 182 11 6%

Resultat under assimileringssimuleringar Assimilering av snödata genom hela vårfloden (1/10 30/9) Referenssimuleringen som regel minst lika bra som vid uppdatering Snötäckningsgrad ger mest förbättring Relativt volymfel (%) (medel av absolut volym fel 2010-2015) Område Ref Ens0 EnsQ EnsSWE EnsSD EnsFSC EnsAll Tjaktjajaure 7.8 7.9 14.9 7.9 5.6 9.7 31.1 Riebnesjaure 2.4 2.5 10.5 2.8 14.5 13.9 24.0 Överuman 13.5 13.5 19.6 23.3 32.9 11.9 36.0 Kultsjön 4.1 3.9 7.1 6.1 18.1 5.3 22.0 Landösjön 2.9 3.0 12.2 11.6 9.1 41.9 10.0 Antal lägst 2 1 0 0 1 1 0 Antal lägst (enskilda år) 11 5 0 3 3 10 0

Resultat för vårflodsprognoser Assimilering fram till prognosstart därefter prognos med ensemble av historiska år Referenssimuleringen överträffas av de flesta Uppdaterade prognoserna Både manuella SWE och satellitbaserade snötäckningsgrad ger mest förbättringar Relativt volymfel (%) (medel av absolut volym fel 2010-2015) Prognos 15/4-31/7 Område Ref Ens0 EnsQ EnsSWE EnsSD EnsFSC EnsAll Tjaktjajaure 74.8 71.2 70.0 39.8 41.6 301.4 46.7 Riebnes 35.2 31.6 41.2 15.3 18.8 28.9 25.5 Överuman 20.8 20.1 22.3 20.1 21.6 12.8 26.9 Kultsjön 10.2 9.3 15.4 16.0 32.9 5.4 42.2 Landösjön 26.4 24.8 40.9 23.7 15.2 14.6 23.2 antal lägst fel 2 3 antal < Ref 5 1 4 3 4 3

Vårflodsprognos 15/2 15/4 och 15/6 Betydelse av assimilering av snödata under olika del av vintern/vårflod Relativa volymfelet senare på året Förbättring med VRF s snödata större senare på året Relativt volymfel (%) Relativ förbättring (%) Ref Ens0 EnsQ EnsSWE EnsSD EnsFSC EnsAll 15/2 12.8 12.6 15.1 13.5 15.9 12.6 15.9 15/4 23.1 21.5 29.9 18.8 22.1 15.4 29.4 15/6 28.6 26.8 34.6 23.0 23.1 22.8 27.6 15/2-2 20-13 19-26 26 15/4-7 37-48 14-29 61 15/6-6 27-41 0-1 17

Bonusresultat: VESPA Metod för att jämföra betydelse av osäkerhet i Initialiseringsperiod och prognosperiod (osäkerhet i meteorologiska drivdata) Genera vårflodsprognoser med osäkerhet både i uppvärmningsdata och prognosdata Exempel från Landösjön och Tjaktjajaure: osäkerhet prognos osäkerhet Initialisering Landösjön Tjaktjajaure

Slutsatser Fortsatt svårt att se tydliga förbättringar med uppdatering med snöobservationer Viktigt att undersöka betydelse av osäkerhet i initialisering och prognosperiod för att förstå betydelse av snöuppdatering Assimilering av satellit och markbaserade snöobservationer gav i denna studie en relativ förbättring av vårflodsprognoserna med mellan 5 och 50%. Markbaserade snövattenekvivalentobservationer och satellitbaserad snötäckningsgrad tycks vara de bästa snöobservationerna

Tack för uppmärksamheten.