uu.seUppsala University Publications
Change search
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
Event and model dependent rainfall adjustments to improve discharge predictions
Uppsala University, Disciplinary Domain of Science and Technology, Earth Sciences, Department of Earth Sciences. Centre for Natural Disaster Science (CNDS).ORCID iD: 0000-0002-9943-6140
Institute of Environmental and Natural Sciences, Lancaster University.
Uppsala University, Disciplinary Domain of Science and Technology, Earth Sciences, Department of Earth Sciences.
Department of Geosciences, University of Oslo.
Show others and affiliations
2017 (English)In: Hydrological Sciences Journal, ISSN 0262-6667, E-ISSN 2150-3435, Vol. 62, no 2, 232-245 p.Article in journal (Refereed) Accepted
Abstract [en]

Most conceptual rainfall–runoff models use as input spatially averaged rainfall fields which are typically associated with significant errors that affect the model outcome. In this study, it was hypothesised that a simple spatially and temporally averaged event-dependent rainfall multiplier can account for errors in the rainfall input. The potentials and limitations of this lumped multiplier approach were explored by evaluating the effects of multipliers on the accuracy and precision of the predictive distributions. Parameter sets found to be behavioural across a range of different flood events were assumed to be a good representation of the catchment dynamics and were used to identify rainfall multipliers for each of the individual events. An effect of the parameter sets on identified multipliers was found; however, it was small compared to the differences between events. Accounting for event-dependent multipliers improved the reliability of the predictions. At the cost of a small decrease in precision, the distribution of identified multipliers for past events can be used to account for possible rainfall errors when predicting future events. By using behavioural parameter sets to identify rainfall multipliers, the method offers a simple and computationally efficient way to address rainfall errors in hydrological modelling.

Place, publisher, year, edition, pages
UNITED KINGDOM: Taylor & Francis Group, 2017. Vol. 62, no 2, 232-245 p.
Keyword [en]
rainfall multiplier, rainfall input error, reliability of the predictions, precision of predictions, Topmodel, floods
National Category
Earth and Related Environmental Sciences
Research subject
Earth Science with specialization in Environmental Analysis
Identifiers
URN: urn:nbn:se:uu:diva-291537DOI: www.tandfonline.com/doi/full/10.1080/02626667.2016.1183775OAI: oai:DiVA.org:uu-291537DiVA: diva2:925810
Funder
Sida - Swedish International Development Cooperation Agency, 54100006
Available from: 2016-05-03 Created: 2016-05-03 Last updated: 2017-03-14
In thesis
1. Flood Hazard Assessment in Data-Scarce Basins: Use of alternative data and modelling techniques
Open this publication in new window or tab >>Flood Hazard Assessment in Data-Scarce Basins: Use of alternative data and modelling techniques
2017 (English)Doctoral thesis, comprehensive summary (Other academic)
Alternative title[sv]
Riskbedömning av översvämning i avrinningsområden med dålig datatillgång : Användning av alternativa data och modelleringsverktyg
Abstract [en]

Flooding is of great concern world-wide, causing damage to infrastructure, property and loss of life. Low-income countries, in particular, can be negatively affected by flood events due to their inherent vulnerabilities. Moreover, data to perform studies for flood risk management in low-income regions are often scarce or lacking sufficient quality.

This thesis proposes new methodologies and explores the use of unconventional sources of information in flood hazard assessment in areas where the quantity or sufficient quality of traditional hydrometrical data are lacking. 

One method was developed to account for errors in spatially averaged rainfall, from a sparse rain-gauge network, used as input to a rainfall-runoff model. A spatially-averaged and event-dependent rainfall depth multiplier led to improvements of the hydrographs at calibration. And by using a distribution of the multiplier, identified from previous events in the catchment, improvement in predictions could also be obtained.

A second method explored the possibility of reproducing an unmeasured extreme flood event using a combination of models, post-event data, precipitation and an uncertainty-analysis framework. This combination allowed the identification of likelihood-associated parameter sets from which the flood hazard map for the extreme event could be obtained.

A third and fourth study made at the regional scale explored the value of catchment similarities, and the effects of climate on the hydrological response of catchments.

Flood frequency curves were estimated for 36 basins, assumed ungauged, using regional information of short flow records, and local information about the frequency of the storm. In the second regional study, hydro-climatic information provided great value to constrain predictions of series of daily flow from a hydrological model.

Previously described methods, used in combination with unconventional information within an uncertainty analysis, proven to be useful for flood hazard assessment at basins with data limitations. The explored data included: post-event measurements of an extreme flood event, hydro-climate regional information and local precipitation data. The methods presented in this thesis are expected to support development of hydrological studies underpinning flood-risk reduction in data-poor areas.

Abstract [sv]

Extremt höga vattenflöden ställer till stora problem i hela världen. De skadar infrastruktur och egendom och orsakar död. Framför allt kan låg- och medelinkomstländer vara väldigt sårbara för extrema flöden. I dessa länder saknas dessutom ofta data som behövs för att kunna bedöma översvämningsrisker, eller så finns bara data av dålig kvalitet.

Denna avhandling föreslår nya metoder som använder okonventionella informationskällor vid bedömning av översvämningsrisker i områden där traditionella hydrologiska data saknas eller har otillräcklig kvalitet.

En metod utvecklades för att ta hänsyn till fel i rumslig medelnederbörd beräknad från ett glest nät av nederbördsmätare att användas som indata i en nederbörds-avrinningsmodell. Användning av en multiplikator för medelvärdesbildad nederbörd, i tid och rum, för enskilda högflödestillfällen ledde till förbättrad modellkalibrering. Genom att använda multiplikatorfördelningar, identifierade från tidigare högflödestillfällen i avrinningsområdet, kunde också prognoser förbättras.

En andra metod använde sig av möjligheten att reproducera ett extremt högflöde inom ramen för en osäkerhetsanalys med hjälp av en kombination av modeller, nederbördsdata och data som uppmätts i efterhand. Denna kombination gjorde det möjligt att identifiera parametervärdesuppsättningar med hophörande sannolikheter ur vilka det gick att erhålla en översvämningskarta för det höga flödet.

En tredje och fjärde studie i regional skala utforskade värdet av likheter mellan avrinningsområden och hur områdenas hydrologiska gensvar beror av klimatet.

Kurvan för kumulativa högflödesfrekvenser (flood frequency curve, FFC) kunde skattas med hjälp av lokal nederbördsinformation och regional information om korta tidsserier av vattenföring från 36 avrinningsområden som antogs sakna vattenföringsdata. I den andra regionala studien visade sig hydroklimatisk information av värde för att avgränsa godtagbara prognoser för daglig vattenföring från en hydrologisk modell.

Tidigare beskrivna metoder, använda tillsammans med okonventionell information inom ramen för en osäkerhetsanalys, visade sig vara användbara för att bedöma översvämningsrisker i avrinningsområden med databegränsningar. Bland utforskade data fanns: mätningar i efterhand av ett extremt högflöde, hydroklimatisk regional information och lokala nederbördsmätningar. Metoderna i denna avhandling förväntas kunna stödja utvecklingen av hydrologiska studier av höga flöden och översvämningar i områden med bristande datatillgång.

Abstract [es]

Las inundaciones ocasionan daños a la infraestructura, propiedad y pérdida de vidas a nivel mundial. Los países en desarrollo son los más vulnerables a inundaciones, la calidad y cantidad de datos hidro-climatológicos disponibles en los mismos dificulta el desarrollo de estudios para la evaluación de riesgo a esta amenaza. Esta tesis propone métodos en la que se hace uso de fuentes de información no-convencionales para la evaluación de riesgo por inundación en regiones con datos escasos o limitados.

Un método considera el error asociado a la precipitación promedio sobre cuencas en modelos lluvia-escorrentía como un factor multiplicador del histograma del evento. El uso de la precipitación promedio junto con una distribución probabilística del factor multiplicador como datos de entrada a un modelo de lluvia-escorrentía mejoraron los hidrogramas durante los periodos de calibración y predicción.

Un segundo método exploró la posibilidad de reproducir un evento extremo de inundación usando una combinación de modelos hidrológicos e hidráulico, un análisis de incertidumbre, datos hidrométricos recopilados después del evento y datos de precipitación registrados durante-el-evento. Dicha combinación permitió la identificación de los parámetros de los modelos y la elaboración un mapa de amenaza por inundaciones para dicho evento.

Adicionalmente, se estimaron curvas de frecuencia de inundaciones para 36 cuencas, asumidas no aforadas, mediante un método de regionalización que usa registros de caudal de corta duración disponibles en la región. Dichas curvas fueron extendidas haciendo uso de información local sobre la frecuencia de las tormentas. Se encontró que la información hidro-climatológica tiene un gran valor para reducir el rango de incertidumbre de las simulaciones de caudal diaria de un modelo hidrológico.

Los métodos anteriores se usaron en combinación con información no-convencional dentro de un análisis de incertidumbre y han probado su utilidad para la evaluación de riesgo por inundaciones en cuencas con registros escasos o limitados. Los datos utilizados en esta tesis incluyen datos hidrométricos recopilados pasado el evento, registros hidro-climatológicos regionales y precipitación local. Se espera que los métodos presentados aquí contribuyan al desarrollo de estudios hidrológicos importantes para la reducción del riesgo por inundaciones en regiones con déficit de registros hidro-climatológicos.

Place, publisher, year, edition, pages
Uppsala: Acta Universitatis Upsaliensis, 2017. 64 p.
Series
Digital Comprehensive Summaries of Uppsala Dissertations from the Faculty of Science and Technology, ISSN 1651-6214 ; 1489
Keyword
Central America, floods, data scarcity, data quality, uncertainty analysis, regionalisation, flood frequency analysis, GLUE, hydraulic modelling, rainfall-runoff modeling, TOPMODEL, LISFLOOD-FP, GRADEX, index-flood, Muskingum-Cunge-Todini flow routing, Mellanamerika, högflöde, datakvalitet, osäkerhetsanalys, regionalisering, frekvensanalys av högflöden, GLUE, hydraulisk modellering, nederbörds-avrinningsmodeller, TOPMODEL, LISFLOOD-FP, GRADEX, indexflöde, Muskingum-Cunge-Todini flödessvarstid, Central América, inundaciones, escasez de datos, calidad de los datos, análisis de incertidumbre, regionalización, análisis de frequencia de inundación, GLUE, modelación hidraulica, modelo de lluvia-escorrentía, TOPMODEL, LISFLOOD-FP, GRADEX, índice de inundación, Muskingum-Cunge-Todini rutina de propagación de flujo
National Category
Oceanography, Hydrology, Water Resources
Identifiers
urn:nbn:se:uu:diva-317332 (URN)978-91-554-9848-1 (ISBN)
Public defence
2017-05-05, Axel Hambergsalen, Earth Sciences Centre, Villavägen 16, Uppsala, 10:00 (English)
Opponent
Supervisors
Funder
Sida - Swedish International Development Cooperation Agency
Available from: 2017-04-10 Created: 2017-03-13 Last updated: 2017-04-21

Open Access in DiVA

No full text

Other links

Publisher's full text

Search in DiVA

By author/editor
Fuentes-Andino, Diana
By organisation
Department of Earth Sciences
In the same journal
Hydrological Sciences Journal
Earth and Related Environmental Sciences

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar

Altmetric score

Total: 206 hits
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf