Bir taşkın tahmin sisteminin değerlendirilmesi:Nümerik hava tahmin modeli, veri asimilasyonu ve uydu yağışlarının kullanımı

Yıl 2016, Cilt: 7 Sayı: 2, 201 - 216, 01.12.2016

İsmail Yücel Alper Önen Koray K. Yılmaz

Öz

Şiddetli yağış ve taşkın oluşumu gibi uç hava olaylarının iklimin ısınması ile beraber çok daha sık olacağı
öngörülmektedir. Hidrolojik tahminler taşkına müdahele ve su kaynakları ile alakalı olarak karar vericiler
için kritik olmasına rağmen şu anki iklim yada atmosfer tahminleri hidrolojik tahminler için genellikle
yeterli seviyede bir destek sağlayamıyorlar. Bunun sebepleri de, kaba alansal çözünürlüklü
iklimsel/meteorolojik tahminler, hidrolojik model ile meteorolojik tahminleri birleştiren ara yüzdeki
eksiklikler, ve model sisteminde kullanılan küçük çözünürlüklü girdi verisindeki yetersizlikler olarak
açıklanabilir.
Bu çalışmanın amacı belirtilen alanlarda iyileştirmeler yaparak bir hidrolojik tahmin periyodu için kara
yüzeyi-atmosfer etkileşimlerini, iklimsel durumların etkilerini, ve başlangıçtaki orta-ölçekli
hidrometeorolojik yapıyı daha doğruca ele almaktır. Bu kapsamda, uzaktan algılamalı yağış verilerinin
kullanımı ile modellerin kaba alansal çözünürlük problemine çözüm aranırken karayüzey ve atmosfer
modellerinin birleşik kullanımı ile de kritik yüzey süreçleri daha ileri düzeye getirilmiş olur. Ayrıca, üç
boyutlu veri asimilasyon tekniğinin kullanımı ile model başlangıç şartlarındaki orta ölçekli
hidrometeorolojik yapı daha güvenilir bir şekilde temsil edilir. Böylelikle hidrolojik tahminlerde başarının
artırılması amaçlanmıştır.
Bu çalışma, ‘NOAH’ kara-yüzey modeline bağlı ‘WRF’ modelini içeren yüksek grid çözünürlüklü bir
hidrometeorolojik model sisteminin ileri seviye grid tabanlı bir hidrolojik model ile kullanılmasını
amaçlamıştır. Model sisteminin performansı Türkiye’nin Batı Karadeniz Havzası’nda seçilmiş 25 adet
şiddetli yağış olayları ve buna bağlı oluşan taşkınlar için değerlendirilmiştir. WRF asimilasyon ile beraber
yağış şiddetinde ve zamanlamasında iyileştirmeler sağlamış ve bu iyileştirmelerde model tarafından
oluşturulan taşkın hidrograflarınada yansımıştır. Uydu yağışları genel olarak yağışı az tahmin etmiş ve
WRF modeline göre daha az başarılı olmuştur. Taşkın tahminlerinde güvenilir yağış girdilerine ihtiyaç
olduğundan WRF modeli içinde asimilasyonun kullanılması çok önemlidir.

Anahtar Kelimeler

WRF, hidrolojik model, taşkın, uydu algoritması, veri asimilasyonu

Calibration and evaluation of a flood forecasting system: Utility of numerical weather prediction model, data assimilation and satellite-based rainfall

Öz

Influences of global warming and climate change
have been getting more dominant with more
catastrophic events observed around the world. With
global warming, major changes in rain and water
cycles are being observed and frequency of
meteorological disasters such as heavy rainfalls is
increasing continuously. With warming climate,
drought and flood risks are getting higher
consequently. As occurring and evidencing on
several geographical regions on the earth, these
types of extreme events are also being observed
throughout regions more prone to flooding in
Turkey. In semiarid environments like Turkey, many
small and medium steep streams are ephemeral,
which can cause unexpected and extensive flood
damage.
For this research, use of a numerical weather
prediction (NWP) model is intended to establish a
possible forecasting system. In NWP model, by using
data assimilation, it is aimed to have improvements
in short-term weather predictions particularly in
precipitation. By forming initial analysis fields of
NWP model via three dimensional variational data
assimilation system (3DVAR) it is intended to
increase accuracy and decrease the bias between
actual observations and model predictions.
To establish more consistency in hydrological
processes, in addition to precipitation products
obtained from NWP with and without data
assimilation, high resolution satellite-derived
precipitation data are also used in hydrological
model for flood simulations. By assessing the
accuracy of these precipitation products against
observations the performance of these products in
producing flood hydrographs is tested.
In this study, Weather Research and Forecasting
(WRF) model as a NWP, coupled with a land
surface model is used with and without data
assimilation to produce precipitation and surface
hydrometeorological variables for a number of
rainfall/flood events observed in partially
mountainous Western Black Sea region in Turkey.
Precipitation produced by this regional modeling
system and MPE are inputted to the fully distributed
and physically based hydrological model, NOAHHydro
model, to generate flood hydrographs. With
the implementation of combined system of
atmosphere, land surface and hydrological
processes in a regional scale, possible flooding
events induced by extreme weather events are
investigated.
Statistical precipitation analyses show that WRF
model with 3DVAR improved precipitation up to
12% with respect to no-assimilation. MPE algorithm
generally underestimates rainfall and it also showed
lower performance than WRF model with and
without data assimilation. Depending on reliability
of precipitation inputs, NOAH-Hydro model
produces reasonable flood hydrographs both in
structure and volume. After model calibration is
performed using assimilated precipitation inputs in
Bartın Basin, NOAH-Hydro model reduced the
average error in streamflow by 23.24% and 53.57%
with calibration for testing events. With calibrated
parameters, NOAH-Hydro model forced by WRF
non-assimilated precipitation input also reduced the
error in streamflow but with lower rates (16.67%
and 40.72%). With a proper model calibration and
reliable precipitation inputs, hydrologic modeling
system is capable of simulating flood events.

Anahtar Kelimeler

precipitation, streamflow, hydrology, flood, model