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NVIS-Server ist das Expertenwerkzeug für die qualitativ und quantitativ hochwertige Aufbereitung von Radarregendaten, mit dem Ziel, diese als Belastungsgröße in Niederschlag-Abflussmodellen (z.B. HYSTEM EXTRAN) verwenden zu können (vgl. DWA-A 118). Damit beherrschen wird die vollständige Prozesskette erforderlicher Korrekturen auf der Basis von Radarreflektivitätsdaten (Rohdaten, z.B. DX oder SWEEP-Produkte des Deutschen Wetterdienstes) bis hin zur georeferenzierten Bereitstellung der Radarregendaten für verschiedene Schnittstellen (z.B. ESRI Ascii Raster, MD-, UVF, ZRXP-Zeitreihenformate).
Die in dem Programm NVIS-Server enthaltenen Korrekturen adressieren detailliert die physikalischen Einflüsse auf die Radarregenmessungen und gehen damit deutlich über Aufbereitungsverfahren hinaus, die einzig und allein auf der Basis einer Anpassung der Radardaten an Bodenbeobachtungen beruhen (z.B. RADOLAN-Produkte des DWD). Die Aufbereitung der Radarregendaten mit NVIS-Server erfolgt zeitschrittweise in Abhängigkeit der zeitlichen Auflösung der Radardaten (dt = 5 min) und umfasst drei Aufbereitungsschritte, die modulweise gesteuert werden können:
Schritt 1: Korrektur physikalische Einflüsse auf die Radarregenmessungen mit folgenden
Korrekturen:
Schritt 2: Anpassung der korrigierten Radarregendaten an Bodenbeobachtungen zur Minimierung eines verbleibenden systematische Fehlers. Dabei bestehen die Möglichkeit der manuellen Anpassung der Daten im Rahmen einer iterativen Vorgehensweise, welche ein Expertenwissen voraussetzt oder die automatisierte Anpassung an die Bodenbeobachtungen mit Hilfe eines automatisierten, ensemblebasierten Ansatzes unter Auswertung von Gütekriterien
Schritt 3: Verschneidung der korrigierten (Schritt 1) und angepassten (Schritt 2) Radarregenrastermatrix mit Einzelbeobachtungen am Boden.
Damit werden Verlagerungseffekten der Regenstrukturen infolge von Windeinflüssen zwischen der Radarmessung in der Atmosphäre und dem Auftreffen der fallenden Regentropfen am Boden berücksichtigt. Zudem erfolgt unter Verwendung von geostatistischen Interpolationsverfahren eine räumlich differenzierte Anpassung der Radarregendaten an einzelne Bodenbeobachtungen.
Die Software hat eine modulare und generische Softwarearchitektur und ermöglicht die Radardatenaufbereitung für beliebige Einzugsgebiete in Deutschland. Dabei können ortsgültige Regenschreiberbeobachtungen aus Betreibernetzen im Aufbereitungsprozess berücksichtigt werden.
Die Software kann sowohl für die Prozessierung zurückliegender, historischer Zeiträume, als auch für die Echtzeit-Anwendung) eingesetzt werden.
Die Vorhersage des zukünftigen Niederschlagsgeschehens eröffnet vielfältige Nutzungsmöglichkeiten: Niederschlagsvorhersagen können eingesetzt werden, um vor Starkregenereignissen zu warnen oder betriebliche Aufgaben zu organisieren. In Verbindung mit Niederschlag-Abflussmodellen können die Prognosen des Abflussgeschehens andererseits aber auch für die optimale Steuerung und Bewirtschaftung von Kanalnetzen genutzt werden; dabei können sogar Kläranlagenprozesse mit einbezogen werden (integrierte Steuerung).
Wesentliche Voraussetzungen für die Nutzung von Vorhersagen sind, dass diese einerseits raum-zeitlich richtig und genau sind; andererseits aber auch passgenau für die gestellte Aufgabe sind: Die Steuerung eines Rückhaltebeckens oder eines Pumpwerks für ein kleines Einzugsgebiet von wenigen hundert Hektar Größe mit Fließzeiten von 15 oder 30 Minuten stellt ganz andere Anforderungen an die Richtigkeit und Genauigkeit von Vorhersagen und deren Vorhersagehorizonte als z.B. die Steuerung von Hauptsammlersystemen oder die Prognose von Kläranlagenzuflüssen großer Städte, mit Fließzeiten von mehreren Stunden.
Im Kontext der Niederschlagsabfluss-Simulation und Prognosen sind Radar-Kürzestfristvorhersagen (engl. Nowcasting) von großer Bedeutung. Bei diesen können die Radarbeobachtung raumzeitlich extrapoliert und direkt als Belastungsgröße für die Kanalnetzmodelle verwendet werden. Bei großräumigen Entwässerungssystemen mit Fließzeiten von mehreren Stunden besteht zudem eine Abflussprognose allein aus der räumlichen Verteilung der beobachteten Niederschläge und der zeitlichen verzögerten Abflussreaktion bis zum Endpunkt des Systems (z.B. Kläranlage).
Für die Kürzestfristvorhersage im Bereich der Stadtentwässerung wurde das Vorhersagemodell HyRaTrac (Hydrologisches Radar Tracking) entwickelt. Basierend auf den qualitativ und quantitativ hochwertig prozessierten Radardaten aus NVIS kann das Regengeschehen in einer hohen zeitlichen Auflösung von 5 Minuten und einer hohen räumlichen Auflösung von 500 x 500 m vorhergesagt werden. Dabei wird in Abhängigkeit der Aktualisierungsrate der Radarbeobachtung alle 5 Minuten eine neue Vorhersage basierend auf der aktuellen Radarmessung erzeugt, so dass mit kürzer werdenden Zeiträumen bis zum Ereignisgeschehens im Einzugsgebiet, die Vorhersagen immer genauer werden. Die Güte der Vorhersagen ist dabei sowohl abhängig von der Güte der Radareingangsdaten als auch vom Ereignischarakter. Während sich großräumige stratiforme Ereignisse mittlerer Intensität (sog. Landregen) oder konvektive Frontensysteme gut Vorhersagen lassen, ist die Vorhersage lokal begrenzter, konvektiver Starkregenereignisse, die einen Lebenszyklus von weniger als 60 Minuten haben auf 15 bis 30 Minuten begrenzt. Analysen abflussrelevanter Ereignisse über den gesamten Jahresverlauf haben gezeigt, dass 70 % aller relevanten Ereignisse bis 30 Minuten gut vorhergesagt werden können und 50 % der Ereignisse bis zu 60 Minuten.
Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, Informationen aus numerischen Wettervorhersagen (NWV) für operativen Aufgaben nutzbar zu machen. NWV haben den Vorteil, dass sie einen längeren Vorhersagezeitraum abbilden. Dabei ist allerdings zu beachten, dass diese räumlich gröber aufgelöst sind und ihre Aktualisierungsrate im Stundenbereich liegt. Die Eignung dieser Vorhersagen als direkte Belastung für N-A Modelle ist begrenzt. Sie sind eher geeignet für die Entscheidungsunterstützung des Betriebspersonals.
CAMPUS-Forecast hat das Ziel, anwendungsbezogen passgenaue Vorhersagen für operationelle Aufgaben und zur Entscheidungsunterstützung bereitzustellen. In Abhängigkeit des Anwendungsziel können verschiedene Modelle und Daten eingesetzt und verwendet werden
Nachfolgend sind Web-Links zu Projekten gegeben, in denen das itwh die operationellen Dateninfrastruktur für die Aufbereitung (NVIS) und Vorhersage (HyRaTrac) von Radarregendaten für Fachanwendungen zur Verfügung stellt.
Projekte mit itwh-Beteiligung
Fachveröffentlichungen des itwh
Mit Beginn der Entwicklung der Schwemmkanalisation in der Mitte des 19. Jahrhunderts ist die zentrale Bedeutung der Kenntnis des Niederschlagsgeschehens für die Bemessung von Kanalisationen bekannt. Seit den 1880-iger Jahren wird der Niederschlag punktuell gemessen, statistisch in Abhängigkeit von Dauer und Wiederkehrzeit analysiert und als Belastungsgröße in Form von statistischen Bemessungsregenhöhen, Ereignisserien oder als Langzeitkontinuumszeitreihe für Kanalnetzmodelle verwendet. Dabei wird regelmäßig die vereinfachende Annahme getroffen, dass das am Regenschreiberstandort erfasste Regengeschehen räumlich extrapoliert werden kann (gleichmäßige Überregnung). Diese Vereinfachung steht im Gegensatz zur kleinräumigen Dynamik und Variabilität der bemessungsrelevanten konvektiven Niederschlagsereignisse. Zudem passt die Vereinfachung nicht zu dem hohen Detaillierungsgrad, mit dem Flächeninformationen für das Kanalnetzmodell erfasst und digitalisiert werden. Eine kritische Diskussion dieser Vereinfachung unterbleibt häufig, da langjährige, zeitlich parallele Regenzeitreihen mehrerer Stationen nicht verfügbar sind. Dabei kann bei großen, hydraulisch zusammenhängenden Mischsystemen eine räumlich-zeitlich ungleiche Niederschlagsverteilung bei entlastungsrelevanten Ereignissen das Entlastungsverhalten deutlich beeinflussen.
Eine Alternative zur Verwendung der Regenschreiberpunktinformation ist der Einsatz von Radarregendaten, die seit dem Jahr 2001 flächendeckend für das Bundesgebiet zur Verfügung stehen. Die Daten haben eine zeitliche Auflösung von 5 Minuten und können in Abhängigkeit von der Entfernung des Untersuchungsgebietes und dem Radarstandort für räumliche Raster mit einer Kantenlänge von 500 m prozessiert werden. Dabei liegt der Vorteil der Radardaten in der realitätsnahen Erfassung des räumlichen Regengeschehen. Unter der Voraussetzung einer sachgerechten Aufbereitung der Radardaten (NVIS) werden qualitativ hochwertige Radarregendaten erzeugt, mit denen als Belastungsgröße für die Kanalnetzmodellierung gerechnet werden kann. Die Daten können z.B. über die Radarrasterschnittstelle von HYSTEM;-EXTRAN georeferenziert zu den Flächen des Kanalnetz als Belastungsgröße automatisiert übernommen werden.
Die Berücksichtigung der ungleichmäßige Überregnung in der Kanalnetzberechnung großer Systeme führt zu deutlich geringeren Auslastungsgraden und geringen Zahlen von Überstauereignissen gegenüber dem Ansatz der gleichmäßigen Überregnung. Bezogen auf die heutige Bemessungspraxis bedeuten die Verwendung von Radarregendaten einen Paradigmenwechsel. Bisher wurden methodisch durch die Wahl eines gleichmäßigen Überregnungsansatzes Sicherheiten unbekannter Größenordnung bei der Dimensionierung der Entwässerungssysteme berücksichtigt. Mit Radarregendaten besteht demgegenüber die Möglichkeit, mit einer Ungleichmäßigkeit der Überregnung die tatsächliche Leistungsfähigkeit der Systeme genauer abzubilden und zu bewerten. Dies kann darin unterstützen, hydraulische Sanierungsbedarfe realitätsgenau zu bewerten und Sicherheitsreserven bewusst in die Dimensionierung der wasserwirtschaftlichen Systeme einzukalkulieren.
Darüber hinaus können extremwertstatischen Radarlangzeitanalysen Erkenntnisse über die Verteilung von Starkregen in den Stadtgebieten liefern. Orografische Einflüsse sowie urbane Hitzeinseleffekte können erhebliche Einflüsse auf das lokale, kleinräumige Regengeschehen verursachen. Dies kann zu Unterschieden in der Annahme von relevanten Bemessungsregenhöhen nach DWA A 118 in einer Größenordnung von bis zu 50 % führen.
Mit der sachgerechten Anwendung von Radarregendaten in der Kanalnetzberechnung ergibt sich ein erheblicher Kenntnisgewinn über das tatsächlich vorhanden Leistungsvermögen der Entwässerungssysteme, so dass Investitionen in die Entwicklung der Entwässerungssysteme optimal eingesetzt werden können.
Die Ingenieurdienstleistungen des itwh für die urbanhydrologische Anwendung von Radarregendaten umfassen folgende Bereiche: