Das Swiss Experiment und die Zukunft der Vorhersage von alpinen ...

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42 Forum für Wissen 2007 3.1 Sensorscope Stationen Die jüngsten Fortschritte in der Sensortechnik und Informationstechno - logie ermöglichen es, Messsysteme zu entwickeln, die sehr viel kostengünstiger und mobiler sind als konventionelle Systeme. Ein wichtiger Meilenstein ist dabei die drahtlose Kommunikation von Sensornetzwerken und die automatische Positionierung und Synchronisierung mit Hilfe von GPS. Es können also schnell und unkompliziert eine grosse Anzahl von Sensoren im Gelände verteilt werden, die unmittelbar messbereit sind. Die Übertragung, Speicherung und sofortige Verarbeitung der Daten benötigt die entsprechende IT-Infrastruktur im Hintergrund (Abb. 3). Diese beiden Probleme werden als Schwerpunkt im SwissEx angegangen. In Zusammenarbeit mit den beiden ETH und der EAWAG, aber auch mit industriellen Partnern wie Microsoft, werden Sensornetzwerke und die Infrastruktur für Datenübertragung, Datenverwaltung, Datenspeicherung, Datenanalyse und Datenverwertung entwickelt und getestet. Die zweite Generation (SensorscopeII: http://sensorscope.epfl.ch/) mobiler Stationen ist bereits im Einsatz und wird an verschiedenen Orten im Hoch gebirge getestet, zur Zeit im Dranse-Einzugsgebiet im Wallis. Im Herbst/Winter 2007 soll damit auch am Wannengrat oberhalb von Davos die Niederschlagsverteilung und das Strömungsfeld gemessen werden. Der Vorteil dieser Stationen ist, dass sie unmittelbar nach dem Aufstellen die Daten an einen Datenserver übermitteln können (Abb. 3). So sind sie sehr kurzfristig einsetzbar und können helfen, Lücken im operationellen Regenmessnetz zu schliessen. 3.2 Modellierung und Datenassimilation Letztendlich ist es das Ziel, die meteorologischen Modelle so zu verbessern und die räumliche Auflösung so zu verfeinern, dass auch die kleinräumige Variabilität der Niederschlagsfelder richtig wiedergegeben wird. Mit den Niederschlagsfeldern werden dann die Oberflächenprozesse genau genug simuliert, um Überschwemmungen, Hangrutsche, Murgänge oder Lawinen deterministisch, d. h. für einen bestimmten Ort und für eine bestimmte Zeit, vorherzusagen. Obwohl dieses Maximalziel in nächster Zukunft nicht erreichbar ist, müssen wir jetzt die ersten Schritte machen. Wie oben diskutiert, sind wir noch nicht in der Lage, Hangrutsche oder Lawinen deterministisch vorherzusagen, weil die Auslöseprozesse noch nicht gut genug bekannt sind. Deterministisch vorhersagbar sind dagegen schon Überschwem - mungen und mit Einschränkungen Murgänge. Deshalb hat SwissEx hauptsächlich diese beiden Prozesse im Blick. Beide Prozesse sind entscheidend einerseits durch den momentanen Zustand des Einzugsgebiets wie Bodenfeuchte, vorhandener Schutt und Geröll und andererseits durch die sehr kleinräumige (1 km) Verteilung der Niederschlagsintensität beeinflusst. Durch die Zeitverzögerung zwischen der Ereignisauslösung (welche u.a. abhängig ist vom kumulierten Niederschlag und der maximalen Niederschlagsintensität) bis hin zum Auf - treten des Schadenereignisses im Unterlauf ist es möglich, die gemessene Information in der Vorhersage von Abflussmengen (oder eines möglichen Murgangs) zu berücksichtigen. Dazu müssen allerdings die entsprechenden Modelle die Daten auch richtig verarbeiten, d.h. assimilieren können. Alpine3D (LEHNING et al. 2006), ein Modell Abb. 3. Schematische Darstellung des SwissEx Datenmanagement.
Forum für Wissen 2007 43 für alpine Oberflächenprozesse und hydrologische Anwendungen, ermöglicht durch die physikalische Repräsentation vieler Prozesse auch eine sinnvolle Assimilation von Messdaten. Z. B. kann gemessener Niederschlag genauso wie Messungen der Bodenfeuchte oder Satellitendaten zur Schneebedeckung direkt assimiliert werden (Abb. 4). Trotzdem ist noch Forschung nötig, um herauszufinden, welche Verbesserungen durch die Assimilation der verschiedenen möglichen Messungen erreicht werden können. Im Beispiel von Abbildung 4 und 5 wird durch die Assimilation von Schneebedeckung nur eine kleine Änderung im mittleren Abfluss erzielt, während der Maximalabfluss stärker beeinflusst wird (Abb. 5). Vielversprechend ist auch die Assimilation des gemessenen Abflusses zum aktuellen Zeitpunkt. Damit können Fehler in der Einschätzung des aktuellen Zustands des Einzugsgebietes gut korrigiert werden. Bei der Assimilation von Messdaten in hydrologischen Modellen muss aber immer darauf geachtet werden, dass das Modell für diese Assimilation auch vorbereitet ist und dann wirklich auch eine bessere Vorhersage liefert. Viele Modelle, insbesondere wenn sie stark von einer Kalibrierung abhängen, können sich durch die Assimila - tion von Daten auch verschlechtern. a) b) Abb. 4. a) Schneebedeckungskarte aus MO- DIS Satellitendaten für den Raum Davos; b) Von Alpine3D berechnete Schneeverteilung. 3.3 Das SwissEx- Anwendungsbeispiel Der Plan für das SwissEx-Anwendungsbeispiel ist es jetzt, bei der Ankündigung eines Grossniederschlagsereignisses mit Hilfe der bereits existierenden meteorologischen Modelle möglichst genau ein problematisches Zielgebiet in den Alpen (Talschaft) festzulegen und die mobilen Mess - systeme und die Modellierung für dieses Zielgebiet optimal einzusetzen, um zu sehen, ob eine bessere Warnung unter Berücksichtigung der besseren Vorhersage möglich ist. Mit grosser Wahrscheinlichkeit wird sich das SwissEx-Anwendungsbeispiel auf die Vorhersage von Abflussmengen in einer Alpinen Talschaft konzentrieren. Möglicherweise werden je nach Arbeitsfortschritt in den CCES Grundlagenprojekten auch Murgänge ins Abb. 5. Berechnete Abflusskurven für je den Lauf mit und ohne Assimilation der Satellitenschneebedeckung in Alpine3D.
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