05.2 Klimadaten

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5.2.1 Verwendete Klimagrößen

Zeitbezogene Eingangsgrößen in die Niederschlag-Abfluss-Modellierung sind flächen­bezogene Werte

  • des Niederschlagsdargebots als flüssiges Wasserangebot an die Boden- bzw. Vegetationsoberfläche und
  • der potenziellen Verdunstung.

Liegen diese nicht vor, so ist ihre Ermittlung aus Werten erforderlich, die an Klima- und Niederschlagsstationen, d.h. punktbezogen gemessen werden.

Im Einzelnen sind unter Einbeziehung geeigneter Algorithmen für eine Flächenübertragung der punktuell gemessenen Werte

  • der gemessene Niederschlag zum Ausgleich von Windfehlern und Benetzungsverlusten zu korrigieren und für Schneeniederschläge die Schmelzwasserabgaben aus der Schneedecke zu berechnen,
  • aus den gemessenen klimatischen Grundgrößen die potenzielle Verdunstung zu ermitteln, da diese nicht direkt gemessen werden kann.

Die potenzielle Verdunstung kann je nach Verfügbarkeit der notwendigen Ein­gangsdaten (s. Tabelle 5.2‑1) nach verschiedenen Verfahren ermittelt wer­den.

Die geringsten Anforderungen an die Datenbasis stellt das HAUDE-Verfahren (s. Schrödter 1985).

Die Kombinationsformel nach PENMAN liefert in der Regel exaktere Ergebnisse (s. Schrödter 1985), stellt aber auch wesentlich höhere Anforderungen an die Ein­gangs­daten.

Auf Grund der geringen Stationsdichte, der damit verbundenen geringen räumlichen Auflösung der benötigten Messdaten und den Unsicherheiten bei einer Flächenübertragung ist die Verwendung des PENMAN-Ansatzes nur für Gebiete zu empfehlen, für die re­präsentative Messungen der notwendigen Eingangsdaten vor­liegen.

Vor allem für Untersu­chungsgebiete in der ehemaligen DDR wird auf Grund umfangreicher Analysen die Nutzung von TURC/IVANOV empfohlen (Dyck 1978, Turc 1961, Wendling 1975, Wendling & Schellin 1986).


Tabelle 5.2‑1: Eingangsgrößen für die Berechnung der pot. Verdunstung

Eingangsdaten Symbol Haude Turc/Ivanov Penman GrassReferenz
Lufttemperatur T + * * * *
Dampfdruck e *[1] + * *
relative Feuchte RH *[1] * + +
Windgeschwindigkeit u * *
Windstärke Um +
relat. Sonnenscheindauer n + + +
extraterrestrische Strahlung Ra + +
Globalstrahlung Rs * + *
Strahlungsbilanz Rn *
* notwendige bzw. bevorzugte Größe, + Ersatzgröße zur Berechnung der mit * gekennzeichneten Größe

 

Zu beachten ist, dass die verschiedenen Berechnungsverfahren i.d.R. Intervallmittelwerte der Eingangsdaten erfordern, lediglich der Haude-Ansatz geht von 14 Uhr Werten aus. Bei der Windgeschwindigkeit ist zu beachten, dass PENMAN und die Grassreferenzverdunstung diese auf 2 m Höhe bezogen erfordern, die Messung aber oft in 10 m Höhe erfolgt und der DWD meist Windgeschwindigkeiten für 10 m Höhe liefert, sofern nicht 2 m Höhenwerte angefordert werden. Hier ist der Anwender gefordert, die Eingangsdaten entsprechend des von ihm gewählten Berechnungsverfahrens bereitzustellen und u.U. notwendige Umrechnungen extern durchzuführen.
Wenn das Steuerwort „WINDGESCHWINDIGKEIT10m“ in der met_data.sdf angegeben ist, erfolgt die Umrechnung/Korrektur von 10 m Höhe auf 2 m Höhe programmintern. Windgeschwindigkeiten, die in 10m Höhe gemessen wurden, werden somit auf das Niveau von 2 m zu korrigiert. Verwendet wurde der Ansatz u2 = u*pow(0.2, 0.13); // DVWK, Gl. 9.26 (S. 85) Annahme: Messung der Windgeschwindigkeit in 10 m Höhe (Standard DWD)Rauhigkeit 0.13 für Gras.

 

5.2.2 Möglichkeiten der Flächenübertragung

Für die Flächenübertragung können unterschiedliche Verfahren genutzt werden.

 

  1. Für die Ermittlung der flächenbezogenen Werte werden mehrere Sta­ti­onen einbezogen. Dabei werden die Abstände der Stationen zur Fläche be­rücksichtigt. Die Wichtung kann dabei entweder relativ detailliert erfolgen, in­dem für mehrere Punkte im Teilgebiet die Gewichtsfaktoren bestimmt, z.B. nach dem Rasterpunktverfahren, und diese dann wieder gemittelt werden. Weniger aufwendig ist die Bestimmung der Gewichtsfaktoren für einen, z.B. den Flächenschwerpunkt.
  2. Die Gebietsgliederung erfolgt unter Berücksichtigung der zur Verfügung stehenden Stationen, so dass jeder Station genau ein Teilgebiet zugeordnet werden kann.

Die erste Vorgehensweise ist dann angebracht, wenn die Stationsdichte gering ist, aber eine gute Korrelation zwischen den Stationen besteht. Letzteres ist nur gegeben, wenn der Einfluss der Orographie gering ist, also zwischen den Statio­nen keine signi­fikanten Höhenzüge liegen (im Tiefland). Im Gebirge ist dies i.d.R. nicht der Fall, weshalb hier das zweite, wesentlich weniger aufwendige Verfahren angebracht ist.

Zu beachten ist außerdem, dass mit keinem dieser Verfahren konvektive und damit örtlich sehr variable Niederschläge angemessen berück­sichtigt werden.

Auf Grund der aus hydrologischer Sicht geringen Dichte meteorologischer Stationen ist die Übertragung der Werte vom Punkt auf die Fläche prinzipiell mit Unsi­cherheiten verbunden.

Im Zuge der Flächenübertragung können auch weitere Zusammenhänge berücksichtigt werden wie

  • die Hö­hen­ab­hängigkeit der Lufttemperatur,
  • die Expositions- und Gefälleab­hängigkeit der Strah­lungsgrößen und
  • die Albedoeigenschaften, die in erster Linie durch die Vegetation und die Flächennutzung bestimmt werden.

Die zeit­liche Dynamik des Niederschlages prägt ent­scheidend die Dynamik des Abfluss­geschehens. Deshalb wird die verfügbare zeitliche Auf­lösung des Niederschlages als bestim­mend für die zeitliche Auf­lösung der nachfolgenden Modell­rechnungen angesehen.

Allgemein verfügbar sind in der Regel nur Tageswerte. Diese zeit­liche Auflösung ist aber für eine ad­äquate Simulation sehr zeitvariabler hydro­logischer Prozesse wie der Infiltration nicht ausreichend. Die zeitliche Verteilung innerhalb dieser zeitlichen Diskretisierung gestattet z.B. nicht die Berücksichtigung von direktabflussauslösenden Spitzenintensitäten des Niederschlages. Für die Modellierung bedeutet dieser Umstand letztlich, dass physikalisch begründete Modellparameter wie die gesättigte hydraulische Leitfähigkeit skaliert werden müssen und damit ihren physikalischen Bezug verlieren.

 

 

Die Flächenübertragung erfolgt unter Berücksichtigung der Oberflächenmorphologie. So werden für die Berechnung der potenziellen Verdun­stung bei Ver­wendung der PENMAN-Kombinationsformel das Geländegefälle, die Exposi­tion und die Höhenlage als wichtige Standort­charak­teristika berücksichti­gt. Die Flächenübertragung wird für jede Einzel­fläche in folgen­den Arbeits­schritten durchgeführt:

  1. Ermittlung der zugeordneten Statio­nen– Entsprechend ihrer Entfernung werden die nächstgelegenen (max.) 4 Stationen für jede Fläche ermittelt. Hierbei kann gewählt werden, ob die Auswahl der Stationen nach dem Quadrantenverfahren erfolgt (s. Abb. rechts), oder ob lediglich die Entfernung berücksichtigt wird und die n nächstliegenden Stationen einbezogen werden. Für die Übertragung des Niederschlages werden Klima- und Niederschlagsstationen genutzt, für die Berechnung der flächenbezogenen potenziellen Verdunstung nur die Klimastationen. Damit wird dem Umstand Rechnung getragen, dass der Niederschlag räumlich variabler ist als andere Klimagrößen und deshalb i.d.R. mehr Niederschlags- als Klimastationen zur Verfügung stehen.
    image
    Abbildung 5.2‑1: Auswahl der zugeordneten Stationen – links die 4 nächstliegenden, rechts nach dem „Quadrantenverfahren“
  2. Ermittlung von Übertragungsfaktoren –Für jede der ausgewählten Stationen werden Faktoren ermittelt, die umgekehrt proportio­nal ihrer Entfernung zur Fläche sind. Verwendet wird dabei die Entfernung im Raum, also unter Berücksichtigung der Höhendifferenz zwischen Station und Fläche.
  3. Übertragung auf eine fiktive Einzelfläche– Entsprechend dieser Übertragungs­faktoren werden die Stations­werte auf eine fiktive Einzelfläche übertragen, deren Hö­henlage dem Mittelwert der Höhenlagen der berücksichtigten Stationen entspricht.
  4. Übertragung auf die konkrete Einzelfläche– Bei dieser Übertragung werden Kor­rekturen vorgenommen, die die Höhen­ab­hängigkeit einzelner meteorologischer Grö­ßen berücksichtigen. Die Korrektur erfolgt entsprechend der Höhendifferenz zwischen der aktuellen und der fiktiven Einzelfläche und berücksichtigt die mittlere Änderung der entsprechenden Größe pro Höhenmeter. Umfangrei­che Regressions­analysen zeigen eine starke Höhen­abhängig­keit des Niederschlages, der Tempe­ratur und des Dampf­druckes, aber nur geringe Höhenabhängigkeiten für weitere Klimagrößen wie z.B. Windgeschwindigkeit. Dazu ist es möglich, während des Programmlaufes die Zeitreihen einer REGRESSIONSANALYSE zu unterziehen oder die Änderungen pro Höhenmeter über die Schlüsselwörter TEMPERATURFAKTOR, NIEDERSCHLAGSFAKTOR und DAMPFDRUCK­FAK­TOR vorzugeben.
  5. Ermittlung der Eingangsgrößen für die potenzielle Verdunstung– Entsprechend der geographischen Breite des Untersuchungsgebietes (Angabe über THETA), der Jahreszeit, des Gefälles und der Exposi­tion wird die astrono­misch mögliche Sonnen­scheindauer und die ex­traterres­trische Strahlung für die Einzel­fläche berechnet. Diese bilden zusammen mit den auf die Einzelfläche bezogenen Werten der Luft­tempera­tur, des Dampfdrucks, der Wind­stärke und der aktuellen Sonnenscheindauer die Eingangs­größen zur Ermittlung der stand­ortbezogenen potenziellen Verdunstung.

Über ein weiteres Schlüsselwort DATEN_FAKTOR kann eine Umrechnung der Daten gesteuert werden, falls diese wie vielfach üblich in 1/10-Anteilen der benötigten Größenordnung (z.B. in 1/10. mm Niederschlag) angegeben sind.

Über den Eintrag FEHLWERTBELEGUNG wird angegeben, wie Fehlwerte in den Zeitreihen definiert worden sind. Default-Wert ist der Wert –9999.

 


5.2.3 Datenverwaltung

Die Verwaltung der meteorologischen Zeitreihen und ihre Übertragung auf die zu modellierenden Flächen erfolgt unter Nutzung der Programmkomponente METEOR, während die eigentlichen Modelleingangsgrößen Niederschlagsdargebot und Verdunstung im MET_MODUL (s. Modul MET der Dokumentation) ermittelt werden.

Eine Übersicht über die Wirkungsweise von METEOR gibt Abbildung 5.2‑2.

image

Abbildung 5.2‑2: Übersicht über die Programmkomponente METEOR

 

In METEOR wird davon ausgegangen, dass die meteorologischen Daten punkt- bzw. stationsbezogen gewonnen wurden. Angaben zu den Stationen, ihre Lage und die zugeordneten Datentabellen werden in einer Stationstabelle verwaltet.

Zur Steuerung der Aktivitäten von METEOR durch den Nutzer wird die Datei METEOR.STE (s. Abbildung 5.2‑7) genutzt. Diese Steuerdatei besteht aus Anweisungsblöcken

  • zur Datenkorrektur,
  • zur Flächenübertragung der meteorologischen Daten und
  • mit Verweisen auf weitere Dateien mit Beschreibungen der Tabellenstrukturen der Stationstabelle MET_STAT.SDF und der Datentabellen MET_DATA.SDF.
MET_STAT               ASCII metstat.tab
STATIONSKENNUNG        NRM
STATIONSTYP            TYP
DATENZEITINTERVALL     DTD
RECHTSWERT             REF_X
HOCHWERT               REF_Y
HOEHE                  HOEHE
NIEDERSCHLAGSKORREKTUR KOR_PI
SCHNEEKORREKTUR        KOR_SN

Abbildung 5.2‑3: Datei MET_STAT.SDF- Strukturdefinition der Stationstabellen

 

Zuerst wird die Datenbasis beschrieben. Diese besteht aus einer Stationstabelle und den eigentlichen Datentabellen, die die Zeitreihen enthalten. Die Struktur dieser Tabellen werden über Definitionstabellen beschrieben, deren Namen über die Schlüsselwörter MET_STAT_DESCRIBE und MET_DAT_DESCRIBE in METEOR.STE angegeben werden. Die Datei MET_STAT.SDF befindet sich im Verzeichnis GIS\DESCRIBE, die Datei MET_DATA.SDF im Verzeichnis ZEIT.DAT\DESCRIBE.

Die Art und Weise, wie Tabellenstrukturen definiert werden, entspricht weitestgehend der schon beschriebenen Methodik bei den Attribut- und Relate-Tabellen der GIS-Schnittstelle.

Der Definitionsblock beginnt mit einem Schlüsselwort als Kennung der Tabelle, gefolgt vom Tabellenformat (ASCII oder INFO) und der Dateibezeichnung. Die folgenden Zeilen beinhalten i.d.R. Angaben zu den Attributen innerhalb der Tabelle bzw. den Spaltenbezeichnern. Nach einem Schlüsselwort zur verbalen Kennzeichnung der Art des Attributes erfolgt die in der konkreten Tabelle verwendete Attributbezeichnung. Datentyp und Speicherformat sind ohne Belang, da programmintern eine sehr variable Zuweisung der Tabellendaten auf Programmvariablen erfolgt.

Abbildung 5.2‑3 zeigt die Datei zur Definition der Stationstabelle. Aus der STATIONSKENNUNG und dem STATIONSTYP wird der Dateiname für die zugeordnete Datentabelle gebildet. Der STATIONSTYP (‘kli’ oder ‘pi’) dient gleichzeitig zur Unterscheidung von Niederschlags- und Klimastationen. Die entsprechenden Datentabellen enthalten entweder nur Niederschlagswerte oder Niederschlagswerte und weitere Klimagrößen. Mit dieser Unterscheidung wird der Tatsache Rechnung getragen, dass der Niederschlag i.d.R. an mehr Stationen gemessen wird als die übrigen klimatologischen Werte. Für die sogenannten Klimastationen wird aber in jedem Fall auch der Niederschlag erwartet.

Das DATENZEITINTERVALL gibt die zeitliche Auflösung der Daten an. In der derzeitigen Programmversion müssen alle Daten aller Stationen die gleiche zeitliche Auflösung besitzen!

RECHTSWERT, HOCHWERT und HOEHE (ü. NN) kennzeichnen die Lage der Station und werden benötigt zur Übertragung der punktbezogenen Stationswerte auf die zu modellierenden Einzelflächen. Da in der Stationstabelle Raumbezüge verwaltet werden, wird die Datei im GIS-Verzeichnis verwaltet.

Beim Einlesen der Klimadaten wird in der arc_egmo.txt (RESULT-Ordner) protokolliert, mit welchen Stammdaten die Station aus der Stationsdatei ausgelesen wurde. Fehlt der Datensatz einer Klimastation, die in der Stationsdatei angegeben ist, so wird darauf in der Protokolldatei hingewiesen.

Für den Fall, dass keine Stationswerte, sondern schon flächenbezogene Werte vorliegen, sind die Koordinaten der Flächenmittelpunkte der zugeordneten Flächen einzutragen. Ist nur eine Reihe pro Datenart im Sinne eines Gebietsmittels gegeben, so können in der Stationsdatei Lageangaben entfallen bzw. mit beliebigen Werten ausgefüllt werden.

Messwerte, so auch Klimadaten sind fehlerbehaftet. Bei der Niederschlagsmessung treten z.B. Messfehler wie Wind- und Benetzungsverluste auf, die systematische Abweichungen der gemessenen Niederschlagsreihen zum „wahren“ Niederschlag verursachen. Üblich ist deshalb eine Korrektur der Messwerte. In ArcEGMO erfolgt die Korrektur des Niederschlages PI gemäß folgender Gleichung

PI = COR * PT

PT stellt den unkorrigierten Niederschlag und COR den Korrekturfaktur dar. Je nachdem, ob der Niederschlag als Schnee oder Regen gefallen ist (Entscheidung in Abhängigkeit von der Lufttemperatur über die Angabe zur GRENZTEMPERATUR), werden unterschiedliche Fak­toren für die NIEDER­SCHLAGS­KORREKTUR und die SCHNEEKORREKTUR zum Ansatz gebracht. Möglich sind z.B. die von Fröhlich (1990) verwen­deten Korrek­turfaktoren mit COR=1.12 für Regen und COR=1.38 für Schnee. Werden keine Angaben zu den Korrekturfaktoren gemacht, werden diese programmintern auf 1 gesetzt, d.h. es erfolgt keine Korrektur.

NIEDERSCHLAGSKORREKTUR      1.05 /* Korrekturfaktoren zum Ausgleich von Wind- */
SCHNEEKORREKTUR             1.0  /* fehlern und Benetzungsverlusten */
GRENZTEMPERATUR             0.1  /* Grenzwert der Tagesmitteltemperatur, unter */
                                 /* der Schneefall angenommen wird */
GLOBALSTRAHLUNGSKORREKTUR     1  /* Korrektur gemäß Hangneigung und Aspekt */
                                 /* 0 - keine */
                                 /* 1 - trigonometrische Berechnung */
                                 /* 2 - Tabellenfunktion */

Abbildung 5.2‑4: Auszug aus der Datei METEOR.STE- Organisation der Korrektur

 

Sind stationsbezogene Korrekturfaktoren bekannt, können diese nun direkt zur Korrektur verwendet werden. Ihre Vorgabe erfolgt über zwei Spalten in der Stationstabelle, in die für jede Station die Niederschlags- und die Schneekorrektur einzutragen ist. Die Namen dieser Spalten werden über die Definitionsdatei GIS\DESCRIBE\<met_stat.sdf> dem Programm über die Schlüsselwörter bekannt gemacht. Stationsbezogene Korrekturfaktoren überschreiben die global über die meteor.ste (s. Abbildung 5.2‑7) vorgegebenen Faktoren.

Neben dem Niederschlag kann auch die potenzielle Verdunstung einheitlich (s. met_mod1 in der modul.ste) oder stationsbezogen korrigiert werden.

Wenn in der Met_Stat.sdf die Verdunstungskorrektur aktiviert (das * gelöscht ist) wird, dann kann aus den Inputdaten eine Verdunstungskorrektur erfolgen.

Dies ist für bestimmte Ansätze notwendig, weil z.B. der Turc-Ansatz für eine „kurz gehaltene, ausreichend feuchteversorgte Fläche“ abgeleitet wurde, realen Einzugsgebiete aber auch andere Bodenbedeckungen aufweisen. Für die damalige DDR hatte sich eine Erhöhung der Turc-Verdunstung um 10% als brauchbar erwiesen -> Verdunstungskorrektur wäre 1.1). Eine Korrektur der potenziellen Verdunstung ist auch dann notwendig, wenn das Umfeld der Station nicht repräsentativ für das zu modellierende Gebiet ist.

Für die vorgegebene (d.h. eingelesene) Globalstrahlung kann bei der Übertragung von der Messstation auf die zu modellierende Fläche eine Korrektur gemäß dem Gefälle und der Hangausrichtung dieser Fläche erfolgen unter der Annahme, dass die Messstation auf einer ebenen Fläche steht. Zu beachten ist, dass die Globalstrahlungskorrektur nicht gemeinsam mit dem Quadrantenverfahren ausgeführt werden kann!

Abbildung 5.2‑5 gibt ein Beispiel für eine Stationstabelle, die sich im GIS-Verzeichnis befinden muss, und zwar als eigenes Cover (Angabe über INFO) oder im Falle einer ASCII-Datei im Unterverzeichnis ASCII.PAT. Diese enthält im Beispiel nur einen Eintrag, die Datenbasis besteht also aus Gebietswerten. Die Attribute METSTAT# und METSTAT-ID werden nur für die Darstellung der Stationen im GIS benötigt und wie STATIONSNAME (als verbale Bezeichnung zur besseren Lesbarkeit der Tabelle) vom Programm nicht genutzt.

NRM  TYP DTD STATIONSNAME        REF_X   REF_Y   HOEHE KOR_PI KOR_SN
test kli 24  'Gebietswerte Test' 3491671 5564387 342   1.1    1.2

Abbildung 5.2‑5: Beispiel einer Stationstabelle

 

Abbildung 5.2‑6 zeigt die Datei MET_DATA.SDF zur Definition der eigentlichen Datenbasis.

Über das Schlüsselwort MET_DATEN wird für alle Datendateien die Art der Datenbasis – ASCII oder INFO – angegeben. Die Angabe des Tabellen- bzw. Dateinamens entfällt hier, da die Namen, wie schon beschrieben, aus den Einträgen der Stationstabelle gebildet werden. Standardmäßig werden die Datentabellen im Zeitreihen-Verzeichnis gespeichert, und zwar alle Daten einer Station in einer Datendatei.

 

MET_DATEN               ASCII H:\Alle_Zeitreihen
Termin                  termin /* durch "." getrennte Datumszeichenkette */
TAG                     d
MONAT                   m
JAHR                    y
STUNDE                  h
MINUTE                  min
LUFTTEMPERATUR          Tm [°C ]
DAMPFDRUCK              e [hPa ]
RELATIVE_FEUCHTE        rf [%] oder [Anteile von 1.]
WINDSTAERKE             Um [Bf ]
SONNENSCHEINDAUER       n [h/d ]
POTENTIELLE_VERDUNSTUNG EP [mm/d]
NIEDERSCHLAG            PT [mm/d]

Abbildung 5.2‑6: Datei MET_DATA.SDF – Strukturdefinition der Datentabellen

 

Es ist aber auch möglich, die Zeitreihendaten in projektunabhängigen Verzeichnissen zu verwalten, beispielsweise um Redundanzen zu vermeiden. In diesem Fall wird neben dem Datenformat (ASCII) auch der Pfad zu diesen Datendateien angegeben. Zu beachten ist hierbei, dass der komplette Pfad angegeben wird und dass die Pfadangabe mit einem Slash („\“) abgeschlossen wird.

Die eigentlichen meteorologischen Daten werden über die Einträge LUFTTEMPERATUR bis NIEDERSCHLAG als die Spaltenbezeichner für die Datenarten definiert. Sofern diese Spalten dann in den Datentabellen vorhanden sind, werden die dazu gehörenden Daten eingelesen und verarbeitet. Tabelle 5.2‑2 zeigt die Datenarten, die derzeit verarbeitet werden, Tabelle 5.2‑1 die Zuordnung dieser Daten zu den derzeit integrierten Verdunstungsansätzen.

Wenn in der einzulesenden Datenbasis allerdings eine bestimmte Datenart nicht gegeben ist, so ist diese in der Datei zeit.dat\describe\met_data.sdf auch nicht anzugeben bzw. sie ist auszukommentieren. Andernfalls wird diese Datenart zuerst mit Fehlwerten belegt und anschließend wird versucht, diese Fehlwerte über die Einbeziehung von Nachbarstationen zu eliminieren. Sind auch diese mit Fehlwerten belegt, was hier der Fall wäre, werden Default-Werte gesetzt, was zu unrealistischen Ergebnissen führen wird.

Neben der bisher beschriebenen Verwaltung der meteorologischen Eingangsdaten und der Ermittlung abgeleiteter Größen wie der potenziellen Verdunstung ist eine weitere wichtige Aufgabe der Programmkomponente METEOR die Übertragung der Klimawerte auf die Modellierungseinheiten. Dies können Elementarflächen, Kaskadensegmente, Teileinzugsgebiete oder das Gesamtgebiet sein. Die Festlegung erfolgte innerhalb der Steuerdatei ARC_EGMO.STE.

 

Tabelle 5.2‑2: Mögliche Eingangszeitreihen im Modellteil METEOR

Datenart Einheit Default Bemerkung
Lufttemperatur °C 8
Dampfdruck hPa 10
relative Feuchte % oder Anteile von 1. Alternativ zum Dampfdruck
Windstärke Bf 0,5 nur für Penman
Sonnenscheindauer h/d 0
pot. Verdunstung mm/DT 0
Niederschlag mm/DT 0

 

Bei einer Übertragung auf das Gebiet werden in Abhängigkeit von der Anzahl der zur Verfügung stehenden Zeitreihen (s. Stationstabelle – Abbildung 5.2‑5) Gebietswerte gebildet, was mit Informationsverlusten verbunden ist und nur zu Testzwecken eingesetzt werden sollte. Ist nur eine Zeitreihe gegeben, so wird diese als gebietsbezogen interpretiert. Eine Übertragung auf kleinere Einheiten bringt keinen Informationsgewinn und wird deshalb vom Programm nicht akzeptiert. Lediglich eine höhenabhängige Modifikation des Gebietsniederschlages wird unterstützt, sofern ein NIEDERSCHLAGSFAKTOR (s. Abbildung 5.2‑7) zur Berücksichtigung der Änderung der mittleren Niederschlagssumme pro Höhenmeter angegeben werden kann.

THETA                       53.5 /*geographische Breite des Untersuchungsgebietes*/
FLAECHENUEBERTRAGUNG           0 /* Quadrantenverfahren */
                                 /* n (1,2,3) -Stationenverfahren
REGESSIONSANALYSE           NEIN /* JA: Ermittlung und Anzeige der nach- */
                                 /* folgenden 3 Faktoren, */
                                 /* NEIN: nachfolgende 3 Faktoren gelten */
GLOBALSTRAHLUNGSKORREKTUR     1  /* Korrektur gemäß Hangneigung und Aspekt */
                                 /* 0 - keine, */
                                 /* 1 - trigonometrische Berechnung, */
                                 /* 2 - Tabellenfunktion */
DATEN_FAKTOR                 0.1 /* Faktor, falls Daten z.B. in 1/10 mm gegeben */
TEMPERATURFAKTOR              0. /* Temperaturaenderung pro Hoehenmeter */
NIEDERSCHLAGSFAKTOR     0.001754 /* Aenderung der mittleren Niederschlagstages- */
                                 /* Summe pro Hoehenmeter */
DAMPFDRUCKFAKTOR              0. /* Dampfdruckaenderung pro Hoehenmeter */
+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
NIEDERSCHLAGSKORREKTUR       1.1 /* Korrekturfaktoren zum Ausgleich von Wind- */
SCHNEEKORREKTUR             1.25 /* fehlern und Benetzungsverlusten */
GRENZTEMPERATUR              0.1 /* Grenzwert der Tagesmitteltemperatur, unter */
                                 /* der Schneefall angenommen wird */
+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
LUECKEN_FUELLEN
*DATENTABELLEN_AUSGEBEN
+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
MET_STAT_DESCRIBE met_stat
+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
MET_DAT_DESCRIBE met_data
+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
FEHLWERTBELEGUNG   Fehlwert   /* Kennzeichnung nichtgemessener Daten */
                              /* z.B. Geraeteausfall */

Abbildung 5.2‑7: Steuerdatei METEOR.STE – Optionen zur Flächenübertragung


 


5.2.4 Verarbeitung von Klimareihen mit zeitlichen Lücken

Für die Verarbeitung von Zeitreihen in ArcEGMO war bisher eine grundlegende Bedingung, dass diese keine zeitlichen Lücken aufweisen. Das bedeutet, dass eventuelle Fehlzeiträume über Fehlwerte abgebildet werden mussten. Wurde dies nicht beachtet, kam es zu Fehlern in der zeitlichen Zuordnung der Niederschläge mit gravierenden Auswirkungen auf die Modellierungsergebnisse.

Für die Verarbeitung solcher lückigen Zeitreihen wurde eine Einleseroutine in ArcEGMO integriert, die über das Schlüsselwort LUECKEN_FUELLEN in der Steuerdatei ARC_EGMO\meteor.ste aktiviert (siehe Abbildung 5.2‑9) werden kann.

Werden von dieser Routine lückenbehaftete Zeitreihen gefunden, erfolgt (bei aktiviertem Testdruck der meteor.ste) die Ausgabe eines Warnhinweises „Reihe <nr> weist ab <Datum> eine Luecke auf !!!“ in der Protokolldatei arc_egmo.txt und die Lücke wird mit dem definierten Fehlwert gefüllt.

Für die Kontrolle der im Programm ArcEGMO integrierten Routinen zum Füllen von Datenlücken ist es nun möglich, die verarbeiteten Niederschlagsreihen komplett in eine Datei ZEIT.DATpi.txt auszugeben. Diese Option wird über das Schlüsselwort DATENTABELLEN_AUSGEBEN in der Steuerdatei ARC_EGMO\meteor.ste aktiviert. Die dabei erzeugte Datei kann maximal 255 Zeitreihen enthalten. Werden mehr Zeitreihen für die Modellierung verwendet, werden nur die ersten 255 Reihen ausgegeben. Weitere Reihen können über eine eventuelle Umsortierung der Stationen in der Stationstabelle ausgegeben werden.

 

termin     cl_3342   46645    47030
01.01.81      1.50    2.30     0.00
02.01.81     11.30   10.20     8.10
03.01.81      6.10    6.90     6.70
...

Abbildung 5.2‑8: Auszug aus einer Datei ZEIT.DATpi.txt

 

Bisher wurden Lücken in den meteorologischen Zeitreihen nur im kleinsten gemeinsamen Zeitraum aller vorhandenen Zeitreihen gefüllt und durch Messwerte benachbarter Stationen ergänzt. Somit mussten die Zeitreihen gegebenenfalls extern durch Reihenverlängerung mit Fehlwerten (-9999) auf einen gleichen gemeinsamen Berechnungszeitraum gebracht werden.

Jetzt können auch Lücken über einen beliebig langen Zeitraum außerhalb des kleinsten gemeinsamen Zeitraums gefüllt werden. Ein Füllen der Lücken bedeutet, dass finden tatsächlicher Lücken in Zeitreihen anhand eines fehlenden Datums und das Ersetzen dieser Datenlücke durch eine Fehlkennung (-9999). Bei dem neuen automatischen Füllen der Lücken wird vom Bearbeiter eine große Aufmerksamkeit und Kontrolle des gewählten Zeitraums gefordert, damit dann der für die Berechnung verwendete Zeitraum wirklich realistisch ist und durch ausreichend vorhandene Messwerte repräsentiert wird.

 

++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
LUECKEN_FUELLEN
DATENTABELLEN_AUSGEBEN
++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++

Abbildung 5.2‑9: Auszug aus meteor.ste

 

In der arc_egmo.ste wird über den Berechnungszeitraum der gewünschte Datenzeitraum, also der Zeitraum, für den die „aufgefüllten“ Stationsreihen erzeugt werden sollen, eingestellt. Alle meteorologischen Zeitreihen, die später beginnen oder früher enden, müssen durch eine Anfangs- und Endfehlkennung gekennzeichnet sein (siehe Beispiel Abbildung 5.2‑10). Alle Zeitreihen müssen durch die Belegung einer Anfangs- und Endfehlkennung gleich lang sein. Der 2. Tag der meteorologischen Zeitreihe muss ebenfalls mit einer Fehlkennung gekennzeichnet sein, sonst wird der eingestellte Zeitschritt, bei Tageszeitreihen DTD 24, nicht erkannt. Die Größe der Lücke bis zum ersten Messwert spielt dann keine Rolle mehr.

 

ta mo jahr nied
01 01 1950 -9999
02 01 1950 -9999
01 01 1957 4.8
…
…

31 12 2005 -9999

Abbildung 5.2‑10: Auszug Niederschlagsdatei

 

Für die Klimagrößen

  • e (Sättigungsdefizit)
  • Glob (Globalstrahlung)
  • Lt (Lufttemperatur)
  • Pi (Niederschlag)
  • RF (relative Luftfeuchte)

werden im Verzeichnis Zeit.Dat Zeitreihen mit der Lückenkennzeichnung (als Fehlkennung mit –9999) erstellt (z.B. pi_luecken.txt). Hier lässt sich in einer späteren Kontrolle, anhand der Fehlkennung der ausgefallenen Stationen leicht der für die repräsentativen Berechnungen maximal mögliche Zeitraum ermitteln.

Im zweiten Schnitt des „Lückenfüllens“ werden die Lücken (Fehlkennung z.B. –9999), beim Ausfall von nur einigen Stationen durch die Werte der benachbarten Stationen höhen- und entfernungsgewichtet mittels dem Quadratenverfahren ergänzt. Liegen an allen Stationen keine Messwerte vor, wird hier die Lücke mit einem Default-Wert ergänzt.

Folgende Default-Werte werden verwendet:

Niederschlag              0.   [mm/DT]
Pot. Verdunstung          0.   [mm/DT]
mittl. Lufttemperatur     8    [°C]
Sättigungsdefizit         5.8  [hPa]
Sonnenscheindauer         0.   [h]
Windgeschwindigkeit       0.5  [m/s]
Globalstrahlung           500  [J/cm**2]

 

Diese Ergänzungen werden zum einem gemeinsam, d.h. alle Stationen in eine Datei (z.B. pi_ergaenzt.txt) ausgegeben. Zusätzlich werden alle Einzeldateien der Niederschlags- und Klimastationen mit den Ergänzungen als neue Dateien mit der vorangehenden Kennung „st_“ (z.B. st_3189.kli) ausgegeben. Somit ist es dem Bearbeiter, je nach Aufgabenstellung, möglich diese neu erstellen Dateien als neue meteorologische Zeitreihen einzulesen. Nach der Ausgabe der neuen Zeitreihen wird ArcEGMO automatisch beendet. Es findet also keine Berechnung statt. Damit werden Automatismen ohne ausreichende Datenprüfung verhindert. Um die Berechnung mit den ergänzten Zeitreihen zu starten muss „LUECKEN_FUELLEN“ wieder deaktiviert werden. Die Zeiträume, an denen an allen Stationen keine Messwerte vorliegen, müssen vom Bearbeiter beachtet werden und der maximal mögliche Berechnungszeitraum für die Modellrechnungen selbständig gewählt werden. Im Projekt „Extreme Hochwasserabflüsse und Kumulschadenspotenziale im Bodegebiet“ hat sich die Anwendung des „Lückenschließens“ bewährt. Hier lagen sehr unterschiedlich lange Zeitreihen vor und es war notwendig, einen großen gemeinsamen Zeitraum zu haben, auch wenn der nicht repräsentativ ist. Über die Auswertung der Lückendateien z.B. pi_luecken.txt konnten dann schnell Zeiträume gefunden werden, die ausreichend durch Messwerte gekennzeichnet sind. Im diesem Projekt wurden dann nur einzelne Hochwasser mit ausreichend vorhanden meteorologischen Zeitreihen gerechnet.

Folgende Abbildung zeigt Tagesniederschläge im Einzugsgebiet der Bode. Grün markierte Werte sind gemessene Werte. Für die zwei Stationen Hasselfelde und Quedlinburg liegen an dem Tag keine Messwerte vor. Hier werden die Niederschlagswerte (rot dargestellt) anhand des höhen- und entfernungsgewichteten Quadratenverfahrens ermittelt.

image

Abbildung 5.2‑11: Ermittlung der Niederschlagswerte für ausgefallene Stationen

Bei Klimastationen, die komplett ohne Niederschlagswerte vorliegen, kann ebenfalls das Lückenfüllen angewendet werden. Prinzipiell muss für jede Klimastation der Niederschlag vorliegen. Das heißt, er wird bei Einlesen einer Klimastation erwartet und die Spalte „nied“ muss vorhanden sein, sowie das Steuerwort NIEDERSCHLAG in der met_data.sdf aktiviert sein. Der Niederschlag kann aber durch die Aktivierung von „LUECKEN_FUELLEN“ in der meteor.ste automatisch von den benachbarten Stationen übertragen werden. Dokumentation dazu, siehe oben (à Füllen von Lücken in Meteorologischen Zeitreihen). Beim Lückenfüllen muss, wenn kein Niederschlag vorhanden ist, die Spalte für den Niederschlag komplett mit –9999 ausgefüllt werden.

5.2.5 Verarbeitung „gemischter“ Klimadaten

Um die Verarbeitung von Klimadatendateien, die teils die Globalstrahlung und teils die Sonnenscheindauer enthalten, zu vereinfachen, wurde eine Funktion integriert, mit der programmintern die Globalstrahlung aus der Sonnenscheindauer für die Stationen berechnet wird, für die keine Strahlungsdaten vorliegen. Die Nutzung dieser Option wird nur empfohlen, wenn die Strahlung für die meisten Stationen vorliegt und nur wenige Reihen um die intern berechnete Strahlung zu ergänzen sind. Folgende Einstellungen sind vorzunehmen:

          1. In der meteor.ste muss die Option „Luecken_Fuellen“ (s. Kapitel 5.2.4) aktiviert sein, weil nur so schon während des Einlesen für die Klimadaten ein Zeitbezug bereitsteht, der für die Berechnung der astronomisch möglichen Sonnenscheindauer erforderlich ist.
          2. In der modul.ste muss im Block met_mod1 die Berechnung der Globalstrahlung deaktiviert sein und die nachfolgend angegebenen Steuerworte aktiviert sein.

 

MET_MOD1
GLOBALSTRAHLUNGSANSATZ  0         /* 0 Gegeben
GLOBALSTRAHLUNGSFAKTOR  0.004057  /* 0., wenn Globalstrahlung berechnet wird, */
                                  /* ansonsten Umrechnungsfaktor der gegebenen */
                                  /* Globalstrahlung in [mm/DT Wasseraquivalent]*/
FAKTOR_A                0.18      /* Faktor im Ansatz zur Berechnung der Global- */
FAKTOR_B                0.62      /* strahlung aus der relativen Sonnenschein- */
                                  /* dauer ra = rex * ( a + b * n_rel) */
+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++

 

3.  In der met_data.sdf muss gewährleistet sein, dass die Sonnenscheindauer und die Globalstrahlung eingelesen werden können.

SONNENSCHEINDAUER  sonn [h/d ]
GLOBALSTRAHLUNG    stra [j/cm²]

 

5.2.6 Aggregieren und Disaggregieren von met. Zeitreihen

ArcEGMO erfordert für die Simulation äquidistante Klimadaten mit einer einheitlichen zeitlichen Auflösung für alle Stationsreihen.

Insbesondere für Hochwassersimulationen ist diese Einschränkung oft hinderlich, weil der zur Verfügung stehende Datenbestand meist inhomogen ist. In der Regel liegen eine Reihe von Tageswertreihen und wesentlich weniger hoch aufgelöste Daten vor.

Um eine gewisse Homogenisierung des Datenbestandes zu unterstützen, wurden in ArcEGMO Routinen integriert, die zeitliche Aggregierung und Disaggregierung meteorologischer Zeitreihen unterstützen.

Da derartige Daten“manipulationen“ (insbesondere die Disaggregierung) sehr unsicher sind, wird wie nach dem Lückenfüllen das Programm nach Erzeugung der neuen Zeitreihen automatisch beendet, so dass der Nutzer die Möglichkeit hat (bzw. gezwungen ist), die Daten zu kontrollieren.

Für die Aktivierung dieses Programm-Modus ist in der meteor.ste über das Steuerwort die angestrebte Diskretisierung anzugeben.

 

ZEITSCHRITTWEITE 60.  /* in Minuten */

Abbildung 5.2‑12: Auszug aus meteor.ste

 

Wenn eine ZEITSCHRITTWEITE angegeben ist und nur dann werden unterschiedlich diskretisierte Zeitreihen beim Einlesen akzeptiert, deren (gegebene) zeitliche Diskretisierung in der Stationsdatei vorzugeben ist.

Für die Bearbeitung der Zeitreihen wird zuerst getestet, ob die zeitliche Diskretisierung kleiner oder größer als die angestrebte Diskretisierung ist.

Ist sie kleiner, erfolgt eine Aggregierung

· für die Größen pi, ep und ra durch Summation,

· für die Größen tmit, tbod e und u durch Mittelbildung und

· für die Größen tmin und tmax durch eine Minimum- bzw. Maximumsuche.

Ist die Zeitschrittweite 1440, d.h. es sollen Tageswerte erzeugt werden, erfolgt eine Aggregierung bis zum nächsten Tag um 7:30 Uhr, dem Ablesetermin der meteorologischen Beobachtungen beim DWD. Dies ist bei der Festlegung des Endzeitpunktes für die Datenauswertung und bei der Datenbereitstellung zu berücksichtigen.

Ist die zeitliche Diskretisierung der Stationsreihe größer als die angestrebte Diskretisierung erfolgt eine Disaggregierung. Dazu wird die nächst gelegene Niederschlagsstation gesucht, bei Klimastationen zusätzlich die nächstgelegene Klimastation, die Daten in der angestrebten zeitlichen Diskretisierung aufweist.

Die zeitliche Verteilung der Daten dieser Bezugsstationen werden auf die zu disaggregierenden Daten aufgeprägt, d.h. es wird der gleiche zeitliche Verlauf innerhalb des gröberen Zeitschrittes wie an der Bezugsstation angenommen, allerdings normiert auf den Wert der Basisstation. Wurde an der Basisstation ein Niederschlag registriert, während an der Bezugsstation kein Niederschlag gefallen ist, wird angenommen, dass dieser Niederschlag konvektiver Natur war. Konvektive Niederschläge haben in der Regel eine sehr geringe räumliche Ausdehnung, meist hohe Intensitäten und sind häufig in den späten Nachmittagsstunden. Deshalb wird (mangels besseren Wissens) diesem Niederschlag eine Dauer von einer Stunde, beginnend um 17 Uhr zugewiesen. Derzeit können nur der Niederschlag und die potenzielle Verdunstung disaggregiert werden. Die potenzielle Verdunstung ist vorher im vorhandenen Zeitschritt zu berechnen und an die entsprechenden Klimastationen anzufügen. Bei der Disaggregierung wird die potenzielle Verdunstung in gleiche Teile über den gewünschten Zeitschritt verteilt (z.B. bei der Disaggregierung von Tageswerten in Stundenwerten durch 24 dividiert).

Zu beachten ist, dass entweder eine Aggregierung oder eine Disaggregierung durchgeführt werden kann. Es dürfen in Klimastationstabelle nur max. 2 unterschiedliche Datenzeitintervalle (DTD) angegeben werden.

5.2.7 Nutzung von Klimadatenbanken

Zunehmend können Klimadaten auch über Datenbanken zur Verfügung gestellt werden, aus denen dann die einzelnen Klimaelemente über ihren Raum- und Zeitbezug abgefragt werden können. Beispiele für solche Datenbanken sind HYRAS der BfG bzw. des DWD, aber auch RAKLIDA.

Der Zugriff auf Datenbanken wird aktiviert, wenn in der arc_egmo.ste das Schlüsselwort DATENBANKANBINDUNG, der Name der Datenbank und die Datendatei inklusive Pfad gefunden wird.

DATENBANKANBINDUNG    RAKLIDA         c:\Sachsenklimdatenraklida.hdf5

ArcEGMO stellt dann eine Verbindung zu der angegebenen Datenbank her und liest Zeitschritt für Zeitschritt die Daten ein und ordnet sie den für die Klimamodellierung gewählten Raumbezügen (EFL, HYD, TG …) zu. Die Nutzung der internen Methoden zur Flächenübertragung der Klimadaten entfällt.

 

5.2.8 Massendatenformat und Rasterdatenformat

Das bisherige Datenformat war auf  die Verarbeitung einer überschaubaren Anzahl von Stationsreihen (max. 300 bis 400 Stationen) ausgerichtet. Es wurde davon ausgegangen, dass sämtliche Daten (komplette Zeitreihen aller Stationen) während der Modellinitialisierung in den Hauptspeicher geladen werden können.

Für die Verarbeitung sehr großer Datenmengen (räumlich hoch aufgelöste, gridbasierte Klimadaten oder sehr lange Zeitreihen) wird als Alternative zum bisherigen Datenformat das im Folgenden beschriebene Eingabeformat unterstützt.

Jeder Datentyp wird in genau einer Datei abgebildet, in der spaltenweise die Daten eines Raumbezuges (Stations- oder Rasterbezug) stehen. In jeweils einer Zeile stehen alle Werte eines Datentyps für einen Termin. Die Angabe des Termins sollte als eine Zeichenkette erfolgen, und zwar wie in Excel üblich in der Reihenfolge Tag.Monat.Jahr, getrennt durch „.“ Sofern die zeitliche Diskretisierung feiner als ein Tag ist, wäre der Stunden und Minutenwert analog dem folgenden Beispiel zu ergänzen und die gesamte Terminangabe in Hochkommata einzuschließen, um damit wieder die Auswertung der Terminangabe als eine Zeichenkette zu ermöglichen.

termin               3978   3988   3182   2344   3972  3191   …
'01.07.2002 00:00'   1.10   0.00   10.7   5.60   7.10  2.90   …
'01.07.2002 01:00'   0.10   0.00    0.7   0.60   0.10  0.30   …
…

 

In der ersten Zeile stehen die Spaltenbezeichner (termin und <STATIONSKENNUNG>), wobei die <STATIONSKENNUNG> analog zum bisherigen Datenformat (s. Dokumentation Teil1, Tab. 5.2), allerdings hier zwingend als numerischer Wert zu verwenden ist.

In den nachfolgenden Zeilen genau der Termin und Wert für einen Zeitschritt. Als Spaltentrenner sollte vorzugsweise der Tabulator verwendet werden.

Die Reihen müssen kontinuierlich und äquidistant sein, d.h. Lücken und Fehlwerte werden beim Einlesen nicht gefüllt.

Bei Verwendung dieses Datenformats sind mindestens 2 Dateien, eine für den Niederschlag und eine für die potenzielle Verdunstung bereitzustellen. Alternativ zur Verdunstungsdatei können auch die Eingangsgrößen für die Verdunstungsberechnung in separaten Dateien zur Verfügung gestellt werden, d.h. Dateien für die Lufttemperatur, die Globalstrahlung/Sonnenscheindauer, die relative Luftfeuchte und u.U. die Windgeschwindigkeit/-stärke.

Die Dateien werden über ihren Dateitypen unterschieden, der den in der met_data-sdf angegebenen Datentypen entsprechen. Der Dateiname ist für alle Datentypen (alle Datendateien)  gleich und wird in der met_data.sdf gemeinsam mit dem Tabellenformat {ASCII|DBASE} und dem Pfad zu den Daten angegeben. Im folgenden Beispiel hieße die Datei mit den Niederschlägen met_ras1.pt, die mit der potenziellen Verdunstung met_ras1.ep.

Die Verdunstungswerte bzw. die Eingangsgrößen zu ihrer Ermittlung können in einer anderen Raumauflösung vorliegen als die Niederschlagsdaten.

MET_DATEN                ASCII H:\Mulde\zeit.dat\met_data\met_ras1
…
WINDSTAERKE               Um   [Bf  ]
SONNENSCHEINDAUER         n    [h/d ]
POTENTIELLE_VERDUNSTUNG   EP   [mm/d]
NIEDERSCHLAG              PT   [mm/d]

Der Raumbezug wird hier wie bisher über die <met_stat.tab> (s. Dokumentation, Kap. 5.1.3) hergestellt, die als Schlüsselattribut die <STATIONSKENNUNG> enthalten muss.

Die <met_stat.tab> kann z.B. eine Attributtabelle eines Rasters sein, für die die meteorologischen Daten bereitgestellt werden. Die Raster-ID wäre dann die <STATIONSKENNUNG>. Die Flächenübertragung der rasterbezogenen Daten erfolgt ebenfalls analog der bisherigen Verfahrensweise über ein modifiziertes inverses Distanzverfahren (IDV), wobei die Entfernungen zwischen dem Schwerpunkt der zu modellierenden Fläche und den Schwerpunkten der umgebenden Rasterzellen ausgewertet werden. Sofern die meteorologischen Daten für Gitterpunkte erzeugt wurden, wären die Koordinaten der Gitterpunkte zu verwenden. Sofern die Rasterzellen hinreichend klein bezogen auf die Modellierungsflächen sind, wäre das IDV so anzuwenden, dass nur die nächstliegende Rasterzelle verwendet wird.

Aktiviert wird das Einlesen dieses Formats über die Angabe DATENFORMAT 1 in der Steuerdatei meteor.ste.

Beim Einlesen der Dateien wird geprüft, ob alle Daten über den Simulationszeitraum komplett eingelesen werden können. Wenn nicht, erfolgt die Abarbeitung Zeitschritt für Zeitschritt, d.h. die Daten werden zeilenweise gelesen und immer nur der aktuelle Zeitschritt im Hauptspeicher gehalten.

Bei der praktischen Arbeit mit dem Massendatenformat ergaben sich teilweise sehr lange Zeiten für das Einlesen der Daten insbesondere dann, wenn mit einem sehr feinmaschigen Raster gearbeitet werden soll. Um diese Verarbeitungszeiten zu verkürzen, bietet es sich unter Umständen an, die sonst sehr aufwendigen Datentestungen zu reduzieren. Voraussetzung dafür ist, dass die Massendaten in einer einheitlichen Struktur (alle Eingangsdaten in gleicher Struktur, d.h. gleiche Anzahl Stationen bzw. Rasterzellen und gleiche zeitliche Auflösung und Zeitperiode) und sortiert vorliegen. Sortiert bedeutet, dass die Spaltenreihenfolge in der Datentabelle identisch mit der Stationsreihenfolge in der Stationstabelle ist und dass die Anzahl der Stationen in beiden Tabellen identisch ist.

Für diesen Spezialfall wurde eine zusätzliche, vereinfachte Einlesemöglichkeit für im Massendatenformat vorliegende Daten geschaffen. Diese kann durch den Eintrag 2 für das DATENFORMAT in der Steuerdatei meteor.ste aktiviert werden:

DATENFORMAT         2   /* 0 - Stationsbezogene Daten (default, d.h. so wie bisher */
                        /* 1 - Massendatenformat                         */
                        /* 2 – Rasterdatenformat                         */

Als TYP in der Stationstabelle muss beim Rasterdatenformat „m“ angegeben werden.

 

5.2.9 HYRAS-Datenformat

Die vom AG gelieferten meteorologischen Eingangsdaten (Tagesniederschläge, Lufttemperatur, Globalstrahlung, relative Luftfeuchte) im Format der HYRAS-Rasterdaten[2] (ASCII-Format, 5 km Raster)

  • als Referenzdaten für den Zeitraum 1951-2006 und
  • zur Charakterisierung möglicher Klimaentwicklungen über drei Projektionen für den Zeitraum 1951-2100

entsprechen weitgehend dem in ArcEGMO integrierten „Massendatenformat“. Dieses für sehr große Datenmengen konzipierte Eingabeformat besteht aus einer GIS-Datei und je einer Zeitreihendatei für jede meteorologische Variable.

Über die GIS-Datei (s. Tabelle 4‑1) wird die Verknüpfung zwischen den Rastern und den meteorologischen Daten hergestellt (Attribut CELLCODE) und topografische Informationen zu den Rastern (Koordinaten des Rastermittelpunktes, mittlere Rasterhöhe ELV_SRTM) für die räumliche Übertragung der rasterbezogenen Daten auf die Modellgeometrien der Abflussbildungsmodellierung (Teilgebiete, Hydrotope oder Elementarflächen) bereitgestellt.

Tabelle 5.2‑3: Auszug aus der GIS-Datei im Massendatenformat von ArcEGMO

X_GEO Y_GEO X_BRB Y_BRB ELV_SRTM CELLCODE DTD TYP
12.252 52.561 3313714 5826939 40.9 4147528625 24 m
12.877 52.780 3356788 5849919 32.5 4187528875 24 m
12.981 53.196 3365137 5896017 70.5 4192529325 24 m

 

Tabelle 5.2‑4: Auszug aus einer Datendatei im Massendatenformat von ArcEGMO

yy    mm   dd   hh   4147528625   4227529825   4192529325   …
1951  01   01   24   0.06         0.33         0.29         0.18
1951  01   02   24   0.0          0.0          0.0          0.0
1951  01   03   24   0.0          0.0          0.0          0.0
…

In den bereitgestellten Originaldateien im HYRAS-Format waren in den Zeilen 1 bis 4 die

  1. Bezeichnung der Variablen (Precipitation, Temperature,…)
  2. mittlere Höhe der Rasterzelle
  3. X-Koordinate des Rastermittelpunktes (Lambert-Projektion, Datum ETRS89)
  4. Y-Koordinate des Rastermittelpunktes (Lambert-Projektion, Datum ETRS89)

angegeben. Diese Zeilen wurden gelöscht.

 

Um zum Massendatenformat von ArcEGMO kompatibel zu sein, war es nun noch erforderlich, die Datendateien mit einem einheitlichen Namen zu versehen, während über den Dateityp die Art der meteorologischen Daten vorzugeben war.

Tabelle 5.2‑5: Bezeichnungen der Datendateien im Massendatenformat von ArcEGMO

Datei Datenart Einheit
KLIWAS_05km_d_Brb_Spree_1951_2006.N Unkorrigierter Niederschlag [mm/Tag]
KLIWAS_05km_d_Brb_Spree_1951_2006.RG Globalstrahlung [J/cm2]
KLIWAS_05km_d_Brb_Spree_1951_2006.RH Relativer Luftfeuchte [%]
KLIWAS_05km_d_Brb_Spree_1951_2006.T Lufttemperatur [°C]

 

HYRASmix, um REGNIE-Daten in Kombination mit klassischen stationsbezogenen Klimadaten nutzen zu können

Auszug aus der meteor.ste

DATENFORMAT    4   /* 0 - Stationsbezogene Daten (default, d.h. so wie bisher */
                   /* 1 - Massendatenformat                         */
                   /* 2 - Rasterdatenformat                         */
                   /* 3 - HYRAS-Datenformat                         */
                   /* 4 - HYRASmix - HYRAS zzgl. Stationsdaten      */
                   /* 5 - REGNIEmix - REGNIE zzgl. Stationsdaten    */

In der Stationstabelle enthält die Spalte mit der STATIONSKENNUNG (hier Name) die Nummern der Rasterzellen in den Zeilen, die die Daten im Massenformat (‚m‘ in Spalte TYP) enthalten und die Dateinamen der Klimadateien für die Klimastationen (‚kli‘ in Spalte TYP).

Auszug aus der met_stat.dbf

 

In der met_data.sdf wird analog zum HYRAS-Format angegeben, wie die Niederschlagsdatei heißt (hier \Raster\dummy.N). Die Klimareihen befinden sich im Verzeichnis \Raster\dummy unter den Namen, die in der met_stat.dbf angegeben sind (z.B. st_3934.kli).

######  Meteorologie  ###########################################################
MET_DATEN               ASCII   \Raster\Dummy
TESTDRUCK
Termin                  Termin
TAG                     dd
MONAT                   mm
JAHR                    yy
STUNDE                  hh
*MINUTE                 min
NIEDERSCHLAG            N          [mm/d]
*LUFTTEMPERATUR         T          [°C ]
*RELATIVE_FEUCHTE       RH         [%]    
*GLOBALSTRAHLUNG        RG         [j/cm²]
*WINDGESCHWINDIGKEIT    wind      [m/s]
POTENTIELLE_VERDUNSTUNG EP        [1/10.tel mm/d]
+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++

 

ACHTUNG: Es muss darauf geachtet werden, dass die Spaltenbezeichnung für die meteorologischen Daten der Stationsdateien (N, RH, RG und T) und der Dateityp der jeweiligen HYRAS-Massendaten identisch sind.

Datenformat 5: REGNIEmix

Das Datenformat REGNIEmix funktioniert entsprechend dem HYRASmix Datenformat. Es wurde aber für eine sehr hohe Rasterauflösung (z.B. 1 km-Raster) zur Verringerung der Rechenzeit entwickelt. Die Flächenübertragung erfolgt hierbei nur für die Klimastationen und nicht für das Niederschlagsraster, da davon ausgegangen wird, dass das Raster hoch genug aufgelöst ist. Ein weiterer Unterschied zu dem HYRASmix Datenformat besteht in der Sortierung der Stationstabelle: hier müssen zuerst die Klimadateien und danach die Daten im Massendatenformat enthalten sein.

5.2.10 Regionale Verdunstungskorrektur

Über die Stationsdatei können regionale Verdunstungskorrekturfaktoren angegeben werden (hier Spalte „Kor_EP“). Die regionale Verdunstungskorrektur ist über das Steuerwort „VERDUNSTUNGSKORREKTUR“ in der met_stat.sdf anzugeben.

Stationsdatei.dbf

met_stat.sdf

######  Meteorologie  ###########################################################
Testdruck
MET_STAT                 DBASE cli_stat_sa.dbf
…
VERDUNSTUNGSKORREKTUR   KOR_EP
+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
############################################################################

5.2.11 Gewässerverdunstung

Die Verdunstung freier Wasserflächen (selektiert über den Landnutzungstyp „W“) wird in der Regel im Rahmen der Abflussbildung aus der potenziellen bzw. aktuelle Verdunstung berechnet. Über einen Korrekturfaktor im Modul met_mod1 kann die Wasserflächenverdunstung korrigiert werden. Der Eintrag in der modul.ste lautet:

 

EP_KORREKTUR_WASSER    "Korrekturfaktor"

 

wobei der Default_wert für den Korrekturfaktor 1.2 ist.Für eine korrekte Abbildung der Gewässerverdunstung im Rahmen detaillierter Bilanzuntersuchungen kann es notwendig sein, diese in Abhängigkeit vom Wasserstand und der davon abhängigen Wasseroberfläche zu erfassen. Dazu stehen in ArcEGMO Möglichkeiten zur Einbindung von Ansätzen zur Verfügung, die die Verdunstung freier Wasserflächen in Abhängigkeit von der Wassertiefe (-temperatur) und weiteren meteorologischen Größen wie Lufttemperatur, Windgeschwindigkeit, relative Luftfeuchte und Globalstrahlung berechnen. Diese Ansätze können an die „besonderen Gewässerpunkte“ wie Talsperren und Seen gebunden werden. Über die für einige GWP-Typen verwalteten Höhen-Volumen-Oberflächen-Beziehungen kann dann in Abhängigkeit vom Wasserstand der jeweilige Verdunstungsverlust als Speicherinhaltsänderung ermittelt werden.

 

Mit dem Faktor EP_KORREKTUR_WASSER wird die sich für den Standort ergebende potenzielle Verdunstung der meteorologischen Modellierungseinheit (EFL, HYD, TG, KAS), in der sich der Gewässerpunkt befindet, multipliziert, um so die Gewässerverdunstung dieses Gewässerpunktes zu erhalten. Mit dem gleichen Korrekturfaktor wird auch die Wasserflächenverdunstung im Abflussbildungsmodell (Landnutzung W) ermittelt.

Wenn in der gwp.tab keine Koordinaten vorhanden oder für einzelne GWPs die Koordinaten mit 0 oder -9999 angegeben sind, kann keine Zuordnung der EP und PI-Werte der „übergeordneten“ met. Fläche erfolgen, EP und PI sind dann demzufolge 0.

Neben der programminternen Berechnung der Verdunstung kann aber auch eine Zeitreihe vorgegeben werden, die gemeinsam mit den Bewirtschaftungsgrößen eingelesen wird. Das vorzugebende Datenformat ist wep (für Gewässerverdunstung), als Raumbezug (RBT) muss GWP angegeben werden. Bei der Vorgabe einer Zeitreihe wird der Korrekturfaktor nicht ausgewertet, da davon ausgegangen wird, dass die vorgegebene Zeitreihe bereits korrigiert und modifiziert ist.

Weist diese Reihe Fehlstellen auf (=0. oder -9999., d.h. ein Verdunstungswert von 0. wird auch nicht als realistisch angesehen), wird auf die in berechnete Verdunstung der „übergeordneten“ met. Fläche zurückgegriffen.

 

Bw_file.tab

DATEI TYP DATZ FORM RBT RB X-COORD Y-COORD DTD
 Evaposee  txt  wep  E  gwp 0  0  0  0

 

Um zu verhindern, dass der meteorologische Input in solche Wasserflächen im Rahmen der Abflussbildungsberechnung und bei der Modellierung der Gewässerpunkte und damit doppelt berücksichtigt wird, ist es notwendig, im Abflussbildungsmodell solche Gewässerflächen zu kennzeichnen, für die als Gewässerpunkt eine detailliertere Verdunstungsbetrachtung erfolgt.

Diese Gewässerflächen erhalten als Landnutzungstyp ein „P“ und werden damit im Abflussbildungsmodell nicht weiter betrachtet, d.h. sie erhalten für die Übergabe-/Ausgabegrößen einen Nullwert, was allerdings in Kartendarstellungen zu Problemen führt.

Es kann auch sinnvoll sein, extern ermittelte Gewässerverdunstungen bei der Modellierung der Wasserflächenverdunstung im Abflussbildungsteil von ArcEGMO zu nutzen.

Dazu muss den Elementarflächen, die innerhalb einer Wasserfläche bzw. einer infolge des Grundwasseranstiegs potenziellen Wasserfläche liegen, die ID des zugeordneten Gewässerpunktes zugewiesen werden. Dieser Gewässerpunkt muss natürlich auch innerhalb des Gewässernetzes als Geometrieelement vorhanden sein.

Diese Zuordnung erfolgt über das neue Attribut GewaesserpunktZuordnung im ElementarflächenCover, das in der efl.sdf dem Programm mitzuteilen ist.

 

Auszug aus der efl.sdf

EFL_PAT                  DBASE efl.dbf   
…
GewaesserpunktZuordnung  Gwp_ID   /* Zuordnung zu einem Gewaesserpunkt */

 

Es ist sicherzustellen, dass Elementarflächen, die keinem Gewässerpunkt zugeordnet werden sollen, als Attribut für die Gewässerpunktzuordnung eine 0 oder einen Wert kleiner als Null aufweisen, so dass keine Verknüpfung mit dem GWP-Cover erfolgen kann. Fehlt der Eintrag  GewaesserpunktZuordnung, so erfolgt auch keine Verknüpfung mit dem GWP-Cover und die Berechnungen der Wasserflächen verlaufen programmintern wie beschrieben.

Während der Abflussbildungssimulation wird für die EFL mit einer GWP-Zuordnung geprüft, ob für diesen GWP eine externe Verdunstungsreihe vorliegt. Wenn ja, werden die hier angegebenen Verdunstungswerte verwendet, sofern sie größer als Null sind. Sind sie kleiner oder gleich Null, werden diese als Lücke in der Zeitreihe interpretiert und dafür der interne Berechnungsansatz genutzt.

Da jetzt für die Gewässerpunkte nicht bekannt ist, ob die Gewässerverdunstung schon für die Elementarflächen berechnet wurde oder nicht, ist es notwendig, diesen einen Kennwert zuzuordnen, über den gesteuert werden kann, ob und wie die Meteorologie in der Volumenbilanzierung der Gewässerpunkte berücksichtigt werden soll.

In der gwp.sdf wurde dazu das Schlüsselwort Ansatz_metInput integriert, über das verschiedene Ansätze gewählt werden können, die die Wasserstandsänderung [m] als Differenz zwischen dem Niederschlag auf den Seekörper und die Verdunstung aus dem Seekörper für den aktuellen Zeitschritt liefern. Gewählt werden kann derzeit zwischen zwei Ansätzen:

  1. liefert immer 0 und ist dann auszuwählen, wenn der meteorologische Eingang auf die Wasserflächen, die auch über die GWP erfasst werden, im Abflussbildungsteil berücksichtigt wird,
  2. hier wird für die Gewässerverdunstung eine externe Zeitreihe verwendet, sofern diese vorliegt, ansonsten die Verdunstung aus der potenziellen Verdunstung (Erhöhung um einen festen Faktor) abgeleitet,
  3. …3,4,5, … sind für weitere Ansätze vorgesehen, die z.B. in Abhängigkeit von der Wassertiefe, der Windexposition und/oder der Wassertemperatur die Gewässerverdunstung berechnen.

 

Der zu verwendende Ansatz kann global, d.h. einheitlich für alle Seen und Talsperren im Modellgebiet vorgegeben werden, indem der anzuwendende Ansatz (derzeit 0 oder 1) direkt über das Schlüsselwort Ansatz_metInput vorgegeben wird. Beginnt der Eintrag hinter dem Schlüsselwort mit dem Buchstaben a, wird der Eintrag als Name eines Attributes in der Attributtabelle des GewässerpunktCovers interpretiert. Darüber sind dann also auch differenzierte Vorgaben für jeden Gewässerpunkt möglich. Wird das Attribut in der Gewässertabelle nicht gefunden oder besitzt es nicht interpretierbare Einträge (derzeit nur 0 oder 1) oder das Schlüsselwort Ansatz_metInput selbst wird in der Einträge wird in der gwp.sdf nicht gefunden, wird für die betreffenden Gewässerpunkte mit dem Ansatz 0 gearbeitet.

 

Auszug aus der gwp.sdf

GWP_PAT                         DBASE  gwp.dbf
…
Ansatz_metInput                   a1   /* Hier kann angegeben werden, wie der */
                                       /* met. Input in den Gewaesserpunkt be-*/
                                       /* ruecksichtigt werden soll           */
                                       /* Ist das Schluesselwort nicht angege-*/
                                       /* ben, wird bei der ungekoppelten Modellierung*/

 

Neben den freien Wasserflächenflächen, für angenommen wird, dass sie innerhalb eines Simulationszeitraumes existieren, ergeben sich im Rahmen der gekoppelten Modellierung mit Grundwasserströmungsmodellen auch Flächen, die nur temporär unter Wasser stehen und deshalb keine Landnutzungskennung W aufweisen. Auch diese Flächen werden dann, wenn sie überstaut sind, hinsichtlich ihrer Verdunstung wie Wasserflächen behandelt. Detailliertere Informationen dazu erfolgen im Rahmen der Dokumentationen zu den Modellkopplungen.


 

[1] Wert der Messung um 14 Uhr

[2] HYRAS: Erstellung hydrologisch relevanter Raster- und Gitterpunktdatensätze für internationale Flussgebiete mit deutschem Gebietsanteil (ohne Oder und Maas, Donau teilweise) auf der Basis qualitätsbewerteter meteorologischer Beobachtungsdaten. Zugang über AG. Jede Rasterzelle bedeckt eine Fläche von ca. 25 km².