Water balance in a poorly gauged basin in West Africa using atmospheric modelling and remote sensing information
Water balance in a poorly gauged basin in West Africa using atmospheric modelling and remote sensing information
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利用大气模型和遥感信息测量西非一个测量不准确的盆地的水平衡
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发表时间：
2008
期刊：
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通讯作者：
S. Wagner
中科院分区：
文献类型：
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作者：
S. Wagner
在用水需求增加和气候条件变化的情况下进行可持续水资源管理是一项重要的社会政治挑战，特别是在气候敏感地区。可持续水资源管理的决策需要有关当前水资源和通量以及未来水资源可用性的科学合理的信息。
这项工作的第一个目标是对西非怀特沃尔特盆地这一测量不善的流域的当前水资源和通量进行估计。这是支持水管理当局和利益相关者实施灌溉、供水和运行水电战略的核心任务。为了能够在未测量或测量不良的盆地进行调查，这些仪器和方法应该在世界范围内适用，具有成本效益，并且最好是公共领域。在没有自动数据记录器和在线传输的测量不良的流域中，必须使用其他气象数据源来近实时估计陆地水平衡，以克服时间延迟和/或空间分辨率不足。因此，开发了MM5和WaSiM联合大气水文建模系统，能够在48小时内提供近实时的水平衡估计。除了气象模拟结果和观测数据外，还采用延迟约一个月推出的TRMM产品作为降水数据源。
除了气象驱动数据外，地表特性也是分布式水文建模的重要输入数据。土地表面特性信息通常取自标准文献值，并根据土地用途通过表格纳入水文建模中。这项工作的第二个目标是使用卫星导出的地表特性提高水文建模中地表特性的空间和时间维度的详细程度，并研究对水文建模结果的影响。在本研究中，中分辨率成像光谱仪（MODIS）遥感系统的反照率和叶面积指数LAI产品被导入到水文模型中并进行研究。
对于水资源管理的可持续决策，除了建模结果本身之外，还必须量化结果的可靠性或不确定性。由于降雨的空间变异性通常被称为降雨径流过程和建模研究中的主要误差源，因此水平衡估算中点测量的区域降水计算所产生的不确定性的传播被作为第三个目标进行研究。因此，对面积降水应用不同的空间插值方法，包括外部漂移克里格法，并分析了它们对水平衡估算的影响。此外，使用转带法对区域降水进行地质统计模拟，以研究水平衡估计中不确定性的传播。这些结果提供了水平衡变量的时间和空间分布范围，这是由于根据站数据计算区域降水量的不确定性造成的。
水处理机器人的基本原理和全球范围内的环境影响是在气候敏感区域和中心、与赫劳斯福德相关的政治政策中进行的。 Nachhaltige Watermanagemententscheidungen erfordern wissenschaftlichfundierte Informationen uber die aktuell verfugbaren Wasserressourcen und zukunftige Wasserverfugbarkeit。在西非的电力工作中，仪器和方法是关于实际情况的水源资源。
水管理的核心工具是水文模型、信息和水流管理。水文模型是气象数据的基础，它是在基础设施中的时间和环境中的影响因素。 Daruber hinaus sind Stationsdaten oft nur mit einer betrachtlichen zeitlichen Verzogerung verfugbar und damit ungeeignetfur kurzfristige Wassermanagemententscheidungen, z。 B. 进行操作 Bewasserungs-、Wasserversorgungs- oder Wasserkraftanlagenstrategien。在工作原理中，气象模型 MM5 是气象学模型中的一个重要部分，它与气象学模型中的 MM5 和 WaSiM 相关。另外，TRMM 产品 3B42 版本的 Niederschlag 数据已被删除，该版本已在 Monat verfugbar 中显示。
气象数据与陆地参数的中心数据是不同的水文模型。在水文模型标准规范中，标准文献中的土地参数说明，以及土地用途的表项。详细描述了地形参数的详细信息，包括在 Moglichkeiten 下的工作参数、反照率和 Blattflachenindex LAI aus multispektralen Fernerkundungsdaten (MODIS) abzuleiten。地表动态参数的大范围变化，是在统计表中进行的，是水文模拟分析的基础。
水管理的基本原理是模型化分析和量化分析。 Unsicherheit dieser Ergebnisse erforderlich。大多数 Niederschlags 的结构变化都非常丰富，通常是在 Niederschlags-Abfluss-Prozesse 的下层模型中进行的。 Demzufolge wurden in dieser Arbeit derrittens die Auswirkungen der Niederschlagsunsicherheiten, die sich aus der erforderlichen raumlichen Interpolation von Stationsdaten (Punktmessungen) ergeben, auf die Ergebnisse der Hydrologischen Modellierung untersucht.在 Regionen 中，我们将在执行过程中添加 Beobachtungsdaten，并提供 Messnetzes sehr gering 中的 Dichte des Messnetzes sehr gering ist，这是 raumliche Interpolation mit grosen Unsicherheiten 行为。 Dafur 提供了插值方法，包括“外部漂移克里金法”，可在水文模拟中实现测站数据和水流注入。 Zusatzlich zu den verschieden Interpolationsverfahren wurden Niederschlagsfelder mittels bedingter 模拟（“转动带”）生成。 Die mit den Generierten, gleichwahrscheinlichen Niedersfeldern durchgefuhrten Hydrologischen Simulationen liefern Spannbreiten der zeitlichen und raumlichen Verteilung der Wasserhaushaltsgrosen。 Diese Spannbreiten beinhalten die Unsicherheiten, die auf die Berechnung des Gebietsniederschlags zuruckzufuhren sind。
Sustainable water resources management under increasing water demands and changing climate conditions is a central, socio-political challenge, in particular in climate sensitive regions. Decisions in sustainable water resources management require scientifically sound information of the current water resources and fluxes and future water availability.
The first objective of this work is to provide estimations of the current water resources and fluxes in a poorly gauged basin, the White Volta basin in West Africa. This is a central task to support water management authorities and stakeholders in operational irrigation, water supply and running hydro-power strategies. To allow investigations in ungauged or poorly gauges basins, these instruments and methods should be applicable world wide, cost-effective and preferably public domain. In poorly gauged basins without automatic data recorders and online transmission other meteorological data sources for near real time estimations of the terrestrial water balance have to be used to overcome the temporal delay and/or the insufficient spatial resolution. Therefore, a joint atmospheric-hydrological modelling system with MM5 and WaSiM is developed which is able to provide near real time water balance estimations within 48 h. Additionally to meteorological modelling results and observation data, a TRMM product, which is available with approximately one month delay, is applied as precipitation data source.
Besides meteorological driving data, land surface properties are essential input data for distributed hydrological modelling. Land surface properties information is usually taken from standard literature values and incorporated into hydrological modelling through tables depending on the land use. The second objective of this work is to increase the level of detail in the spatial and temporal dimension of land surface properties in hydrological modelling using satellite derived land surface properties and to investigate the impact on hydrological modelling results. In this study, products of the MODerate resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) remote sensing system for albedo and leaf area index LAI are imported into the hydrological model and investigated.
For sustainable decisions in water resources management, additionally to the modelling result itself, the reliability or uncertainty of the result has to be quantified. Due to the fact that the spatial variability of rainfall is often termed as the major source of error in investigations of rainfall-runoff processes and modelling, the propagation of uncertainties, resulting from the calculation of areal precipitation from point measurements in water balance estimations, are investigated as third objective. Therefore, different spatial interpolation methods, including external drift kriging, for areal precipitation are applied, and their impact on water balance estimates is analysed. Furthermore, geostatistical simulations using the turning band method for areal precipitation are performed in order to investigate the propagation of uncertainties in water balance estimations. These results provide ranges of the temporal and spatial distribution of water balance variables as consequence of uncertainties from the calculation of areal precipitation from station data.
Auf Grund der steigenden Nachfrage und mit der globalen Erwarmung verbundenen Anderung des Wasserdargebots ist nachhaltiges Wassermanagement insbesondere in klimasensitiven Regionen eine zentrale, gesellschaftspolitisch relevante Herausforderung. Nachhaltige Wassermanagemententscheidungen erfordern wissenschaftlich fundierte Informationen uber die aktuell verfugbaren Wasserressourcen und zukunftige Wasserverfugbarkeit. In dieser Arbeit wurden Instrumente und Methoden fur die Abschatzung der aktuell verfugbaren Wasserressourcen fur das Einzugsgebiet der Weisen Volta in Westafrika entwickelt und angewendet.
Ein zentrales Instrument zur Entscheidungsunterstutzung fur nachhaltiges Wassermanagement ist die hydrologische Modellierung, die Informationen uber die raumliche und zeitliche Veranderung von Wasserhaushaltsgrosen liefert. Die hydrologische Modellierung benotigt meteorologische Eingangsdaten, deren Verfugbarkeit in ausreichender zeitlicher und raumlicher Auflosung insbesondere in infrastrukturschwachen Einzugsgebieten eine grose Herausforderung darstellt. Daruber hinaus sind Stationsdaten oft nur mit einer betrachtlichen zeitlichen Verzogerung verfugbar und damit ungeeignet fur kurzfristige Wassermanagemententscheidungen, z. B. fur operationelle Bewasserungs-, Wasserversorgungs- oder Wasserkraftanlagenstrategien. Vor diesem Hintergrund wurde in dieser Arbeit erstens untersucht, inwieweit, zusatzlich zu Stationsdaten, das meteorologische Modell MM5 in der Lage ist meteorologische Felder mit ausreichender Genauigkeit fur die flachendifferenzierte Wasserhaushaltsmodellierung mit WaSiM zu liefern. Als weitere Datenquelle fur den Niederschlag wurde das skalierte TRMM Produkt 3B42 verwendet, das mit einer zeitlichen Verzogerung von ungefahr einem Monat verfugbar ist.
Neben meteorologischen Antriebsdaten sind Landoberflachenparameter zentrale Eingangsdaten fur die flachendifferenzierte hydrologische Modellierung. In den hydrologischen Modellen werden normalerweise Standardliteraturwerte fur die Landoberflachenparameter verwendet, die als Tabellenwerte abhangig von der Landnutzung abgeleitet werden. Fur eine detailliertere raumliche und zeitliche Beschreibung der Landoberflachenparameter wurden in dieser Arbeit zweitens die Moglichkeiten untersucht, Albedo und Blattflachenindex LAI aus multispektralen Fernerkundungsdaten (MODIS) abzuleiten. Dabei wurde der Einfluss der dynamischen Abschatzungen von Landoberflachenparameter aus Fernerkundungsdaten, im Vergleich zu statischen Tabellenwerten, auf die Ergebnisse der hydrologischen Simulationen analysiert.
Zur Entscheidungsunterstutzung fur nachhaltiges Wassermanagement ist zusatzlich zu den Modellierungsergebnissen eine Quantifizierung der Zuverlassigkeit bzw. Unsicherheit dieser Ergebnisse erforderlich. Dabei wird die richtige Abschatzung der raumlichen Variabilitat des Niederschlags oft als Hauptfehlerquelle bei Untersuchungen der Niederschlags-Abfluss-Prozesse sowie deren Modellierung genannt. Demzufolge wurden in dieser Arbeit drittens die Auswirkungen der Niederschlagsunsicherheiten, die sich aus der erforderlichen raumlichen Interpolation von Stationsdaten (Punktmessungen) ergeben, auf die Ergebnisse der hydrologischen Modellierung untersucht. Insbesondere in Regionen, wo wenige Beobachtungsdaten zur Verfugung stehen, und somit die Dichte des Messnetzes sehr gering ist, ist die raumliche Interpolation mit grosen Unsicherheiten behaftet. Dafur wurden verschiedene raumliche Interpolationsmethoden, inklusive „external drift kriging“, zur Ermittlung des Gebietsniederschlages aus Stationsdaten angewendet und deren Einfluss auf die hydrologischen Simulationsergebnisse untersucht. Zusatzlich zu den verschieden Interpolationsverfahren wurden Niederschlagsfelder mittels bedingter Simulationen („turning bands“) generiert. Die mit den generierten, gleichwahrscheinlichen Niederschlagsfeldern durchgefuhrten hydrologischen Simulationen liefern Spannbreiten der zeitlichen und raumlichen Verteilung der Wasserhaushaltsgrosen. Diese Spannbreiten beinhalten die Unsicherheiten, die auf die Berechnung des Gebietsniederschlags zuruckzufuhren sind.