Innovative Frühwarnsystem

Modell Kaskade

System-Übersicht

Das gesamte System besteht aus den folgenden Elementen:

  1. Lokale Institutionen, die korrigierte Radardaten liefern;
  2. Das von der ZAMG betriebene Modell INCA, das Radardaten gemeinsam mit anderen Informationen zur Erstellung von Nowcasting-Karten verwendet;
  3. Das INADEF-EWS (Frühwarnsystem), das die Nowcasting-Karten zusammen mit anderen Eingabedaten verwendet, um Frühwarnkarten und Alarmmeldungen zu erstellen.
INADEF-EWS

Das INADEF-EWS-System besteht wiederum aus mehreren Subsystemen:

  • Ein Server, der verantwortlich ist für:
  1. Empfangen und speichern die Nowcasting Daten von der ZAMG;
  2. Ausführung des Abflussmodelles ZEMOKOST des BFW;
  3. Ausführung des Auslösemodells der UNIPD;
  • Ein DBMS (Datenbankmanagementsystem) mit räumlichen Erweiterungen zur Speicherung von Eingabe- und Ausgabedaten der Modelle.
  • Ein Webserver zur Bereitstellung von Simulationsergebnissen (Karten, Tabellen, Berichte…).
Datenfluss
  • Lokale Behörden (ARPAV, ZAMG) liefern Radardaten, die in das INCA Nowcasting-Modell einfließen;
  • INCA erzeugt Nowcasting-Karten für Niederschlag, die an das INADEF-EWS weitergegeben werden;
  • INADEF-EWS Stellt die Nowcasting-Daten zusammen mit anderen Informationen für das Modell ZEMOKOST bereit;
  • INADEF-EWS stellt die Ergebnisse des ZEMOKOST-Modells für das Mur– Auslösemodell bereit;
  • INADEF-EWS verarbeitet die Resultate des Auslösemodells und stellt nützliche Ergebnisse (Alarme, Warnungen) über das Web bereit.

INCA - ZAMG

INCA ist ein Multiparameter-Analyse- und Nowcasting-System, das vom Österreichischen Wetterdienst ZAMG entwickelt wurde. Es nutzt verschiedene Eingangsdaten wie Stationsmessungen, Radar, Satellitendaten und NWP-Hintergrundinformationen, um gerasterte Analyse- und Nowcasting-Felder von Niederschlag, Niederschlagsart, Temperatur, Feuchte, Wind, Bewölkung, Schneefallgrenze und vielen anderen meteorologischen Größen zu erzeugen. 

INCA Nowcasting-Felder sind extrapolationsbasiert und können mit NWP-Vorhersagen verschnitten werden (blending). Dadurch entsteht eine nahtlose Kette von Vorhersageprodukten vom Zeitpunkt Null bis zu einigen Tagen im Voraus. Der INCA-Output kann als Input für Anwendungen in anderen Bereichen verwendet werden, wie z.B. in der hydrologischen Abflussmodellierung oder Murgangmodellierung.

St. Lorenzen, Styria, Austria, 2012 (Karl Hagen - BFW)
St. Lorenzen, Styria, Austria, 2012 (Karl Hagen - BFW)

INCA ist sehr effektiv, d.h. es ist in der Lage, Ausgabefelder innerhalb weniger Minuten nach Erhalt der Beobachtungen zu erzeugen und liefert Informationen zu einem Zeitpunkt, zu dem noch keine NWP-Informationen verfügbar sind. Da INCA ein beobachtungsbasiertes System ist, hängt die Qualität der resultierenden Produkte stark von der rechtzeitigen Verfügbarkeit und Qualität der Eingangsdaten ab.

  • Domäne: 8,5°-17,7° E und 45,8°- 49,4° N, deckt Österreich und Teile der Nachbarländer (z.B. Teile Norditaliens) ab.
  • Auflösung: 1 x 1 km (701 x 401 Gitterpunkte)
  • 5min oder 15min Update und Vorhersagezeitschritt für Niederschlag
  • 1h Update und Vorhersagezeitschritt für Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Wind, etc.
  • Nowcast-Bereich: 1-4 Stunden für Niederschlag und 6-12 Stunden für andere Parameter
  • Nach dem Nowcasting-Bereich werden die Felder zu NWP-Vorhersagen mit einem Vorhersagebereich von bis zu 48 Stunden verschnitten

ZEMOKOST-BFW

Zemokost ist ein konzeptionelles Niederschlags- Abfluss-Modell für unbeobachtet Wildbacheinzugsgebiete. Die zwei wichtigsten Eingabeparameter sind:

  • Räumliche Beschreibung des Einzugsgebiets
  • Niederschlag

Räumliche Informationen: das Gerinne, beschrieben durch Fließlänge, Gefälle sowie Fließwiderstand, wird durch Knotenpunkte untergliedert. Zu jedem Knotenpunkt wird das hydrologische Einzugsgebiet benötigt (Teileinzugsgebiet). Für jedes Teileinzugsgebiet ist die Information zu Rauhigkeits- und Abflussbeiwert sowie weitere Geländeparameter (Hangneigung, Fläche etc.) erforderlich.

Der Niederschlag wird in dieser Modellkette aus den INCA Daten bezogen. INCA bietet viertelstündlichen Niederschlagsdaten mit der Auflösung von 1*1 km. Die für ZEMOKOST notwendigen Minutenwerte werden durch Interpolation gewonnen. Über die Verschneidung der Niederschlagspixel mit den (Teil)Einzugsgebieten werden die Niederschläge ermittelt, die Gewichtung erfolgt dabei entsprechend des Flächenanteiles jedes Pixels an der Einzugsgebietsfläche.

Für jedes Teileinzugsgebiet wird der Oberflächenabfluss in Form eines Hydrographen an dem entsprechenden Knoten ermittelt und in das darunter liegende Teileinzugsgebiet weitergeleitet, bis der letzte Knoten in der räumlichen Beschreibung erreicht wird. Nach der Modellierung liegt für jeden Knotenpunkt ein Abflusshydrograph (m³/s) in Minutenauflösung vor.

Das Auslösemodell

Das Auslösemodell, das einerseits überprüft, ob eine Mure ausgelöst wird und anderseits den Hydrographen des fest-flüssig Gemischs ermittelt ist das von Gregoretti et al. (2019) vorgeschlagene und von Bernard et al. (2019) verwendete Modell.

Es beruht auf der Abschätzung des zum Murgang beitragenden Abflussvolumens, auf dem Spitzenabfluss des fest-flüssig Gemischs und auf der Sedimentmenge, die dieses Volumen transportieren kann.

Sowohl das zum Murgang beitragende Abflussvolumen als auch der Spitzenabfluss des fest-flüssig Gemischs werden auf Grundlage des Abflusshydrographen, der morphologischen Eigenschaften (Neigung und Breite der Gerinnesohle) und der physikalischen Eigenschaften der Sedimente (Korngröße und abgelagerte Sedimentkonzentration) in der Auslösungszone bestimmt.

Die Feststoffmasse oder das Volumen, das durch die Mure transportiert wird, ist jenes welches entlang der Fließstrecke mitgerissen wird. Diese hängt sowohl von der Erosionsrate als auch von der Neigung und Länge des Abschnitts zwischen der Auslösungszone und dem Punkt, an dem der Hydrograph des fest-flüssig Gemischs ermittelt werden soll ab.

Der Maximalwert des Sedimentvolumens, der transportiert werden kann, entspricht einer durchschnittlichen Sedimentkonzentration von 0,9 c*, wobei c* der abgelagerte Feststoffgehalt ist.

Im Fall von granularen Murgängen weist der Unterschied zwischen dem DEM (Digital Elevation Model) vor und nach einem Ereignis im Murkanal des Rovina di Cancia darauf hin, dass der Sohlneigungswinkel von größer oder kleiner 15 ° für den dominierenden Prozess, Erosion oder Ablagerung, entscheidend ist (Simoni et al., 2020).

Dies bedeutet, dass wenn der Punkt, an dem der Hydrograph des fest-flüssig Gemischs bestimmt wird, eine Neigung kleiner 15 ° aufweist, muss auch eine Phase von Sedimentablagerung für die Schätzung des vom Murgang transportierten Sedimentvolumens berücksichtigt werden.

Diese Feldergebnisse werden durch Laborversuche von Lanzoni et al. (2017) zur Entstehung und Ablauf von Muren bestätigt, wo sich granulare Murgänge nur bei einem Sohlgefälle von mehr als 15 ° entwickeln.

Unterhalb der Auslösungszone nimmt der Hydrograph des fest-flüssig Gemischs eine dreieckige Form beginnend mit erhöhter Feststoffmasse/Fließhöhe (Simoni et al., 2020), wie der von Gregoretti et al. (2016a) beobachtete Abfluss-Hydrograph am Fuße einer Felswand.

Folglich kann, unter Annahme eines annähernd vertikalen Anstiegs von Null bis zum Spitzenwert und bei Kenntnis des zum Spitzenabfluss beitragenden Abflussvolumens, sowie der Spitzenabfluss des fest-flüssig Gemischs und der Feststoffmenge, die dreieckige Fläche des Hydrographen gemeinsam mit der Dauer bestimmt werden.

Die Methode zur Bestimmung des zum Murgang beitragenden Abflussvolumens (1), des Spitzenabflusses des fest-flüssig Gemischs (2) und des fest-flüssig Volumens (3) ist nachstehend ausführlich dargestellt.

Das Volumen des Oberflächenabflusses, der den Murgang auslöst, ist der Teil des Oberflächenabflusshydrographen, der größer ist als der spezifische kritische Oberflächenabfluss für die Bildung eines Murganges (Abbildung 1). Dieses Konzept wurde erstmals von Bennet et al. (2014) entwickelt und in Gregoretti et al. (2016b) erneut aufgegriffen. Der kritische Oberflächenabfluss ist der flüssige Abfluss, der in der Lage ist, die großen Ablagerungsmengen zu bewegen und mitzureißen, die für die Bildung eines Fest-Flüssig-Stroms erforderlich sind (Abbildung 2) und wurde ursprünglich von Tognacca et al. (2000) durch einen empirischen Bericht, der auf Untersuchungen zur Bildung von Murgängen in einem Versuchskanal basiert, vorkalkuliert:

qCRIT = 4 dM 1.5 tanϑ-1.17                      (1)

dabei ist qCRIT die spezifische kritische Durchflussrate pro Breiteneinheit, dM der durchschnittliche Durchmesser der Ablagerungen und ϑ der Sohlneigungswinkel. Gregoretti und Dalla Fontana (2008) haben einen ähnlichen Zusammenhang vorgeschlagen, basierend auf Untersuchungen im Laborkanal wo anfangs hohe Sedimentraten in einen Wasserstrom eingebracht werden:

qCRIT = 0.78 dM 1.5 tanϑ-1.27                      (2)

Diese Gleichung (1) entspricht einem Murgang, der sich auf kurzer Strecke bildet, während Gleichung (2) die kritische Grenze zeigt, wo sich aufgrund der steigenden Sedimenterosionsrate ein Murgang ausbilden kann. Aus diesen Gründen sind die qCRIT -Werte gemäß Gleichung (1) viermal höher als diejenigen gemäß Gleichung (2). Darüber hinaus verglichen Gregoretti und Dalla Fontana (2008) die Schätzungen des kritischen Abflusses gemäß Gleichung (2) mit den simulierten Werten des Spitzenabflusses aus etwa 30 Murgangereignissen in den Dolomiten im Zeitraum von 1993-2006. Abbildung 3 zeigt, dass Gleichung (2) in dimensionsloser Form einen unteren Grenzwert für alle simulierten Spitzenwerte darstellt. Kürzlich haben Pastorello et al. (2020), ähnlich wie Tognacca et al. (2000) und Gregoretti und Dalla Fontana (2008), einen Zusammenhang vorgeschlagen, welcher den erforderlichen kritischen Oberflächenabfluss für die Auslösung eines Murgangs größeren Ausmaßes beschreibt.

Abbildung 1. Hydrograph des simulierten Oberflächenabfluss in Rovina di Cancia, blau gekennzeichnet, der für einen Murgang relevante Teil.
Abbildung 2. Bildung eines Fest-Flüssig-Stroms, wenn ein Oberflächenabfluss Q eine Murablagerung belastet.
Abbildung 3. Vergleich zwischen der Spitzenflussrate des Oberflächenabflusses in dimensionsloser Form (q* = q/(dM1.5(ρS/ρ – 1)0.5; q = Einheitsflussrate des Oberflächenabflusses), entsprechend der Niederschläge, die etwa 30 Murgangereignisse in vier Einzugsgebieten in den Dolomiten verursacht haben, mit dimensionslosen Werten des kritischen Oberflächenabflusses gemäß den Gleichungen (1) und (2).

Die WebGIS-Plattform

INADEF-EWS ist eine Webanwendung, die meteorologische und geomorphologische Daten und Modelle integriert und dem Endbenutzer Echtzeitinformationen zur Murganggefahr an ausgewählten Standorten (Einzugsgebiet) liefert.

INADEF-EWS wird kontinuierlich mit vom INCA-Modell generierten Niederschlags-Nowcasts gespeist und verwendet diese Eingaben zur Modellierung des Hochwasserabflusses (Modell ZEMOKOST) und in Folge für ein Murgang-Auslösemodells und eines Modells zur Abschätzung von Durchflussmenge und Volumen. Die Ergebnisse werden zur Ermittlung der potenziellen Gefahr durch ein Murereignis verwendet.

INADEF-EWS wurde ausschließlich unter Verwendung von Open-Source- Softwareplattformen und -Lösungen (PostgreSQL/PostGIS, GeoServer und OpenLayers) entwickelt.

INADEF-EWS verwendet eine klassische Client/Server-Architektur: Der Server (back-end) ist für das Input- und Output-Management und die Modelle zuständig und stellt dem Client Daten zur Verfügung. Der Client (HTML5) hat im Gegenzug die Aufgabe, dem Enduser die Daten in Form einer responsiven Webseite zu präsentieren, die von jedem mit dem Internet verbundenen Gerät aus erreicht werden kann.

St. Lorenzen, Styria, Austria, 2012 (Karl Hagen - BFW)
St. Lorenzen, Styria, Austria, 2012 (Karl Hagen - BFW)
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