Das Snowmelt Runoff Model ETH (SRM-ETH) als universelles Simulations- und Prognosesystem von Schneeschmelz-Abflussmengen - : Ein Beispiel der Integration von Satellitenfernerkundung und Geographischen Informationssystemen (GIS)

Zürich

1996

166 S.

48 Abb., zahlr. Lit. Ang.

Bandaufführung

108271

Zielsetzung: Der Wasserabfluss aus der Schneeschmelze bildet in alpinen Einzugsgebieten einen bedeutenden Beitrag zum Gesamtwasserabfluss. Mit Hilfe des neukonzipierten satellitenbildgestützten SRM-ETH sollte der Schmelzwasserabfluss und der Niederschlagsanteil für die beiden Einzugsgebiete Sedrun und Tavanasa der Kraftwerke Vorderrhein in der Bündner Surselva vorhergesagt werden, und zwar saisonal ein halbes Jahr im voraus am 1. April und täglich für die jeweils nächsten vier Abflusstage. Das Modell sollte in Einzugsgebieten verschiedenster physiogeographischer Ausprägungen und unterschiedlichster Grössenordnungen für die Prognose von Schneeschmelzmengen und für die Simulation des Abflusses unter veränderten Klimabedingungen universell eingesetzt werden können. Dazu musste in einem ersten Schritt die computertechnische Gesamtlösung, bestehend aus * der Schneeauswertung aus Satellitenbildern (vgl. STEINMEIER, C., 1995: Model-based snow cover mapping from remote sensing data for operational snowmelt runoff forecasts. Dissertation Eidgenössische Technische Hochschule, Zürich), * der Neuprogrammierung und dem Ausbau der Modellprogramme, * dem Aufbau eines interaktiven Benützermenüs, * der Datenverwaltung und der Datenspeicherung sowie * dem Zusammenschluss mit einem Geographischen Informationssystem realisiert werden. Daran anschliessend waren mit diesen Hilfsmitteln die Saison- und Tagesprognosen für die zwei erwähnten Einzugsgebiete in den beiden Sommerabschmelzperioden 1993 und 1994 durchzuführen und die Tauglichkeit der Prognosemethode mit Hilfe von Satellitenbildern für einen operationellen Einsatz bei Kraftwerksgesellschaften abzuklären. Für Nachfolgeprojekte im Rahmen des nationalen Forschungsprogrammes NFP 31 "Klimaänderungen und Naturkatastrophen" sollten die computertechnischen Voraussetzungen für einen Zusammenschluss des Abflussmodells mit einem Geographischen Informationssystem geschaffen und erste Klimaänderungsszenarien durchgerechnet werden.
Vorgehen und Methodik Damit die oben erwähnten Forschungsziele erreicht werden konnten, mussten zuerst die auf UNIX-Workstations verfügbaren Software-Komponenten für die einzelnen Teilgebiete ausgewählt werden. Die Entscheidung für die Verwendung des Schneeschmelz-Abflussmodells SRM war in Vorgängerarbeiten bereits gefällt worden. Für die Satellitenbildauswertung wurde PCI ausgewählt, die Datenverwaltung und das interaktive Benützermenü wurden mit dem relationalen Datenbank- Managementsystem ORACLE realisiert. Die SRM-Modellprogramme sind in der Programmiersprache C neu geschrieben und für die Prognosebedürfnisse ausgebaut worden. Beim Geographischen Informationssystem fiel die Wahl auf Arc/Info. Die erwähnten Softwarekomponenten sind alles kommerziell erhältliche Standardprodukte. Durch eine grösstmögliche Integration aller Komponenten konnte das Gesamtsystem SRM-ETH aufgebaut werden, das sowohl die Prognoseanforderungen abdeckt als auch für weitere Ausbauten in Nachfolgeprojekten im Rahmen der satellitengestützten Schneeauswertung volle Flexibilität gewährleistet. Nach der Realisierung des Gesamtsystems SRM-ETH konnten die geforderten Prognosen in Angriff genommen werden. Es musste zuerst ein Vorgehen zur Erstellung von Schneeabnahmekurven respektive zur Auswahl einer Kurve aus einem Satz Kurven früherer Abflussimulationen gefunden werden. Auch die Auswahl der weiteren Inputdaten ins SRM, wie die Temperatur- und Niederschlagsprognosewerte, musste getroffen werden. Bei den Saisonprognosen, wo langjährige Durchschnittswerte verwendet werden, wurde ein Algorithmus zur Verteilung der Werte auf die Einzeltage entwickelt. Bei den Tagesprognosen musste eine für die beiden Bündner Einzugsgebiete möglichst repräsentative Prognosestation gefunden werden. Für den operationellen Prognosebetrieb sehr wichtig ist eine automatische Datenübernahme von Prognose- und Messwerten ins SRM-ETH. Dies konnte für den Datentransfer der Meteodaten von der SMA an die ETH realisiert werden, bei der Datenübertragung von den Kraftwerken an die ETH wurde eine Fax-Lösung gewählt. Saisonprognosen
Für die beiden Einzugsgebiete Sedrun und Tavanasa wurden in den beiden Sommerabschmelzperioden 1993 und 1994 Saisonprognosen erstellt. 1993 wurde eine erste Prognose zum 1. April mit Hilfe eines Satellitenbildes von Ende März und von Wasseräquivalentsmessungen des SLF Davos-Weissfluhjoch durchgeführt, die eine Genauigkeit von 97 % im Gebiet Sedrun und 103 % in Tavanasa erreichte. Es konnte gezeigt werden, dass die erzielten Prognosewerte nur durch die extremen Starkniederschläge Ende September erreicht wurden, dass die Schneesituation am 1. April jedoch überschätzt wurde. Mit Hilfe eines weiteren Satellitenbildes wurde am 21. April die Saisonprognose vom 1. April revidiert. Dabei wurde die Schneebedeckung gesenkt. Die Genauigkeit lag an diesem Datum noch bei 82 % in Sedrun und bei rund 91 % in Tavanasa. Nach der Auswertung von zwei weiteren Satellitenbildern von Anfang und Mitte Juni wurde am 16. Juni 1993 eine dritte, revidierte Saisonprognose erstellt. Wiederum wurde die Schneesituation den Erkenntnissen aus den neuen Satellitenbildern und den aktuellen Wasseräquivalentsmessungen angepasst. In Sedrun wurden an diesem Datum rund 88 % und in Tavanasa rund 93 % des von den Kraftwerken im nachhinein ermittelten natürlichen Zuflusses in die Einzugsgebiete vorhergesagt. Durch einen Vergleich mit Abflussimulationen nach dem Ende der Sommersaison, bei denen anstelle der Prognosewerte die gemessenen Temperatur- und Niederschläge verwendet wurden, konnte die Güte der in den Prognosen verwendeten Schneeabnahmekurven ermittelt werden. Es zeigte sich, dass die Kurven von Prognosedatum zu Prognosedatum besser wurden und bei der dritten Saisonprognose die Schneesituation des Sommers 1993 sehr gut wiedergegeben haben. Im Sommer 1994 wurde eine Saisonprognose am 1. April ausgegeben. Sie erreichte eine Genauigkeit von rund 81 % in Sedrun und 87 % in Tavanasa. Es konnte gezeigt werden, dass die Abweichungen vom natürlichen Zufluss vor allem durch die Verwendung der langjährigen Durchschnittswerte für die Temperaturen und Niederschläge verursacht wurden. Der Sommer 1994 war vor allem durch stark erhöhte Temperaturen gekennzeichnet, was zu einem erhöhten Gletscherabfluss und damit zu einem markant höheren Gesamtabfluss führte. Die Computerprogramme für die Tagesprognosen standen ab dem 14. Mai 1993 zur Verfügung. Ab diesem Datum wurden in der Sommerperiode 1993 93 Tagesprognosen für die jeweils nächsten vier Tage von Montag bis Freitag im realen Prognosemodus erstellt. Es wurden die gleichen Schneeabnahmekurven wie in den Tagesprognosen verwendet. In beiden Einzugsgebieten konnte der erwartete durchschnittliche Fehler von 5 m3/s erreicht werden (Sedrun 4.18 m3/s, Tavanasa 3.45 m3/s). Der als Genauigkeitsmass verwendete R2-Wert lag in Tavanasa bei für Prognosen guten 0.45, in Sedrun lag dieser Wert wegen der häufigeren Starkniederschlagsspitzen lediglich bei 0.26. Es musste festgestellt werden, dass vor allem die Verwendung der Niederschlagsprognosewerte des weit von den Einzugsgebieten entfernt liegenden Frauenfelds wesentlich zu den Abweichungen beigetragen hat. Die Genauigkeit der Tagesprognosen dürfte bei einer Verfeinerung des Gitternetzes für Niederschlagsprognosen der SMA und mit Hilfe eines Algorithmus zur Extrapolation der Prognosewerte in hochalpine Täler deutlich steigen.
Im Sommer 1994 wurden für alle sieben Wochentage Tagesprognosen erstellt. Trotz einiger Unterbrechungen bei der automatischen Datenübertragung der Prognosewerte konnten 175 Tagesprognosen ausgegeben werden. Die Genauigkeit war wegen des Fehlens extremer Starkniederschlagsspitzen, wie sie im September 1993 vorkamen, und durch die höhere Anzahl der Prognosen deutlich höher. In Sedrun betrug der durchschnittliche Fehler 2.76 m3/s bei einem R2-Wert von 0.72, in Tavanasa 3.18 m3/s bei einem R2-Wert von 0.74. Diese Resultate können für beide Einzugsgebiete als sehr gut betrachtet werden. Anschluss eines Geographischen Informationssystems Ein GIS kann sowohl für die Verbesserung der Schneeauswertung aus Satellitenbildern, also für den Input ins SRM, als auch für erweiterte Analyse- und Darstellungsmöglichkeiten, der Outputseite des SRM, verwendet werden. Durch den Einbezug von verschiedenen Informationsebenen im GIS, wie der Bodenbedeckung aufgrund von Klassen der Schweizerischen Arealstatistik, eines empirischen Modells zur Verteilung von Permafrostgebieten in den Alpen, von Gletscherflächen, Regionen ähnlicher Schneeakkumulationen, einem digitalen Geländemodell usw. kann die Schneebedeckung wesentlich genauer als mit herkömmlichen Bildauswertungsmethoden ermittelt werden. So kann zum Beispiel die Schneebedeckung in Waldgebieten, die bei der Verwendung optischer Satellitenbilder normalerweise unterbestimmt wird, durch einen Vergleich mit anderen Bodenbedeckungsklassen korrigiert werden. Die Karten des regionalen Wasseräquivalents, die verschiedene Institutionen wie die Bauwirtschaft (Dachlasten auf Gebäuden) oder die Wasserkraftwerke interessieren, können durch den Zusammenschluss der SRM-ETH-Datenbank mit dem GIS Arc/Info vollautomatisch nach einer Abflussimulation oder -prognose erstellt werden. Mit Hilfe des neu angeschlossenen GIS lassen sich die im NFP 31 "Klimaänderungen und Naturkatastrophen" vorgegebenen Klimaänderungsszenarien und deren Einfluss auf die Schneebedeckung und den Schneeschmelz- und Abflussprozess mit dem SRM-ETH durch erweiterte Interpolationsmöglichkeiten einfacher durchführen.
Ebenfalls erst durch den Zusammenschluss des SRM-ETH mit dem GIS wird der Einbau eines Gletscherschmelzmoduls möglich. Im GIS ist die genaue Lage der Gletscher bekannt. Dadurch kann die Schneeauswertung auf Gletschern separat durchgeführt und der höhere Abfluss aus der Gletscherschmelze gesondert berechnet werden.