京都大学 / 新制・課程博士 / 博士(工学) / 甲第24212号 / 工博第5040号 / 新制||工||1787(附属図書館) / 京都大学大学院工学研究科社会基盤工学専攻 / (主査)教授 中北 英一, 准教授 山口 弘誠, 准教授 佐山 敬洋 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Philosophy (Engineering) / Kyoto University / DFAM

This thesis is written as a cumulative dissertation based on peer-reviewed papers and supplemented by yet unpublished results. It presents methods and results that contribute to a novel approach for estimating water storage within the soil-water-plant system at a single site or in a small catchment (< 100 km2). The focus is on estimating the current/pre-event condition of a study area using simulated soil moisture and applying it as an indicator for flash flood forecasting. These two steps were combined in a semi-automatic framework that was used as a tool for flash flood monitoring after the Flash Flood Guidance (FFG) concept. This includes catchments for which Hydro-meteorological data and reliable site characteristics are not available. The overall objective was to demonstrate the capabilities and limitations of the regionally applicable modeling framework based on a lumped-physical model and open-source input data. The questions to be answered are: How reliable are the model outputs estimated by an uncalibrated-lumped model based on regional parameterization and forcing data? What are the potential uncertainties and limitations of such a framework? What are the potential applications of water storage in flood monitoring? The data were derived from freely available datasets. Meteorological input data can come from various sensor networks integrated in an open sensor web, mainly from the German Meteorological Service (DWD) and e.g., the forest climate stations of Sachsenforst. The model description required datasets for elevation (10 m, State Office for Environment, Agriculture and Geology-LfULG), land cover (Copernicus: Land Cover 100m), soil characteristics (BK50, LfULG) and soil profiles from the German National Forest Inventory (NFI). In addition, satellite-based soil moisture product (SMAP-L4-GPH from the National Aeronautics and Space Administration-NASA), water gauges data (LfULG) and eddy covariance flux cluster sites of the chair Meteorology at TU Dresden were used for validation. The first publication provides the framework and elaborates on the integration of a model into the open-data platform. The BROOK90 model (R version) was embedded in an open sensor web to estimate daily water balance components for more than 6,000 (sub-) catchments in Saxony. The model performance was validated with stream gauge observations in ten selected head catchments for discharge and with SMAP-L4-GPH for evapotranspiration and soil moisture. The results indicate that the framework is able to provide reliable soil retention estimates in high resolution. The second publication addresses the potential use of radar precipitation in this framework. Here the focus is on examining long-term radar-derived precipitation to improve water balance estimates due to its advantages in spatial coverage. The DWD’s re-analysis radar product, RADKLIM, was applied and aggregated for daily model input. A comparison between radar and rain gauge precipitation was performed to evaluate the quality of the product at the study sites, including the compensation for the catch loss in precipitation using the Richter correction. The results show the satisfactory performance of the framework with radar precipitation. The third publication demonstrates the application of model output to flood warnings. FFG was modified and applied to estimate rainfall thresholds considering the effects of antecedent soil moisture. Once rainfall threshold curves are calculated, only information on rainfall and soil moisture information is needed to issue a warning of a potential flash flood. The method was applied in the Wernersbach catchment in the Tharandt Forest and validated with historical events. The results of the contingency table show the potential of this tool for flash flood warning, but it should be tested with other rainfall runoff models and more catchments prone to flash floods.:Abstract/Zusammenfassung/Tóm tắt 1. Introduction 1.1 Motivation and scope 1.2 Problem formulation 1.3 Target setting 1.4 Structure of the thesis 2. Adjusted Flash Flood Guidance (FFG) framework 2.2 Terminology and definitions 2.2.1 Flash flood 2.2.2 Small catchment 2.3 FFG concept 2.4 Adjusted FFG framework 3. Core publications of the PhD thesis 4. Major findings 5. Conclusions and outlook References List of Abbreviations List of figures List of the author’s publication Appendixes including the core publications Erklärung / Die vorliegende Arbeit ist eine kumulative Dissertation, die auf begutachteten Arbeiten basiert und durch bisher unveröffentlichte Ergebnisse ergänzt wird. Sie stellt Methoden und Ergebnisse vor, die zu einem neuartigen Ansatz zur Abschätzung der Wasserspeicherung im System Boden-Wasser-Pflanze an einem einzelnen Standort oder in einem kleinen Einzugsgebiet (< 100 km2) beitragen. Der Schwerpunkt liegt auf der Abschätzung des aktuellen/vor einem Ereignis herrschenden Zustands eines Untersuchungsgebiets unter Verwendung simulierter Bodenfeuchte und deren Anwendung als Indikator für die Vorhersage von Sturzfluten. Diese beiden Schritte wurden in einem halbautomatischen Modell zusammengefasst, das als Werkzeug für die Überwachung von Sturzfluten nach dem Konzept des Flash Flood Guidance (FFG) verwendet wird. Dies schließt Standorte/Einzugsgebiete ein, für die keine hydrometeorologischen Daten und/oder zuverlässige Standortmerkmale verfügbar sind. Das Gesamtziel bestand darin, die Fähigkeiten und Grenzen des regional anwendbaren Modells auf der Grundlage eines pauschalen physikalischen Modells und von Open-Source-Eingangsdaten zu demonstrieren. Die zu beantwortenden Fragen lauten: Wie zuverlässig sind die von einem unkalibrierten eindimensionalen Modell auf der Grundlage regionaler Parametrisierungs- und Antriebsdaten geschätzten Modellergebnisse? Was sind die potenziellen Unsicherheiten und Grenzen eines solchen Modells? Welches sind die möglichen Anwendungen der simulierten Komponenten des Wasserhaushalts bei der Überwachung von Hochwasser? Die Daten werden aus frei verfügbaren Datensätzen abgeleitet. Die meteorologischen Eingangsdaten stammen aus verschiedenen Sensornetzwerken, die in einem Open Sensor Web integriert sind, hauptsächlich vom Deutschen Wetterdienst (DWD) und z.B. den Waldklimastationen von Sachsenforst. Für die Modellbeschreibung wurden Datensätze für Geländehöhe (10 m, Landesamt für Umwelt, Landwirtschaft und Geologie - LfULG), Landbedeckung (Copernicus: Land Cover 100m), Bodeneigenschaften (BK50, LfULG) und Bodenprofile aus der Bundeswaldinventur (BWI) benötigt. Darüber hinaus werden satellitengestützte Bodenfeuchteprodukte (SMAP-L4-GPH der National Aeronautics and Space Administration-NASA), Pegeldaten (LfULG) und Eddy-Kovarianz-Flusscluster-Standorte des Lehrstuhls für Meteorologie der TU Dresden zur Validierung verwendet. Die erste Veröffentlichung liefert den Rahmen und erläutert die Integration eines Modells in die offene Datenplattform. Das Modell BROOK90 (R-Version) wurde in ein offenes Sensornetz eingebettet, um tägliche Wasserhaushaltskomponenten für mehr als 6,000 (Teil-)Einzugsgebiete in Sachsen zu schätzen. Die Leistung des Modells wurde anhand von Pegelbeobachtungen in zehn ausgewählten Einzugsgebieten für den Abfluss und mit SMAP-L4-GPH für die Evapotranspiration und Bodenfeuchte validiert. Die Ergebnisse zeigen, dass das System in der Lage ist, zuverlässige Schätzungen der Bodenretention in hoher Auflösung zu liefern. Die zweite Veröffentlichung befasst sich mit der möglichen Nutzung von Radarniederschlägen in diesem Rahmen. Hier liegt der Schwerpunkt auf der Untersuchung des langfristigen, vom Radar abgeleiteten Niederschlags zur Verbesserung der Wasserbilanzschätzungen aufgrund seiner Vorteile bei der räumlichen Abdeckung. Das Reanalyse-Radarprodukt des DWD, RADKLIM, wurde verwendet und für tägliche Modelleingaben aggregiert. Es wurde ein Vergleich zwischen Radar- und Regenmesser-Niederschlag durchgeführt, um die Qualität des Produkts an den Untersuchungsstandorten zu bewerten, einschließlich der Kompensation des Niederschlagsverlusts durch die Richter-Korrektur. Die Ergebnisse zeigen die zufriedenstellende Leistung des Rahmens mit Radarniederschlag. Die dritte Veröffentlichung demonstriert die Anwendung der Modelldaten auf Hochwasserwarnungen. Der Leitfaden für Sturzflutwarnungen wurde modifiziert und zur Schätzung der Niederschlagsschwellen unter Berücksichtigung der Auswirkungen der vorherrschenden Bodenfeuchte angewandt. Sobald die Niederschlagsschwellenkurven berechnet sind, werden nur noch Informationen über Niederschlag und Bodenfeuchte benötigt, um eine Warnung vor einer möglichen Sturzflut auszusprechen. Die Methode wurde im Einzugsgebiet des Wernersbachs und im Tharandter Wald angewandt und mit historischen Ereignissen validiert. Die Ergebnisse der Kontingenztabelle zeigen das Potenzial dieses Werkzeugs für die Sturzflutwarnung, es sollte jedoch mit anderen Niederschlagsabflussmodellen und weiteren Einzugsgebieten, die für Sturzfluten anfällig sind, getestet werden.:Abstract/Zusammenfassung/Tóm tắt 1. Introduction 1.1 Motivation and scope 1.2 Problem formulation 1.3 Target setting 1.4 Structure of the thesis 2. Adjusted Flash Flood Guidance (FFG) framework 2.2 Terminology and definitions 2.2.1 Flash flood 2.2.2 Small catchment 2.3 FFG concept 2.4 Adjusted FFG framework 3. Core publications of the PhD thesis 4. Major findings 5. Conclusions and outlook References List of Abbreviations List of figures List of the author’s publication Appendixes including the core publications Erklärung / Luận án tiến sĩ này được viết như một luận án tích lũy dựa trên các bài báo đã được bình duyệt và được bổ sung bởi các kết quả chưa được công bố. Nó trình bày các phương pháp và kết quả góp phần vào một cách tiếp cận mới để ước tính trữ lượng nước trong hệ thống đất-nước- thực vật tại một địa điểm hoặc trong một lưu vực nhỏ (<100 km2). Trọng tâm là ước tính tình trạng hiện tại / trước sự kiện của khu vực nghiên cứu bằng cách sử dụng độ ẩm đất mô phỏng và áp dụng nó như một chỉ báo để dự báo lũ quét. Hai bước này được kết hợp trong một khuôn khổ bán tự động được sử dụng như một công cụ để giám sát lũ quét dựa theo khái niệm Hướng dẫn về lũ quét (FFG). Điều này bao gồm các địa điểm / lưu vực không có sẵn dữ liệu khí tượng thủy văn và / hoặc các đặc điểm thiếu thông tin mô tả chia tiết đáng tin cậy. Mục tiêu tổng thể là chứng minh các khả năng và hạn chế của khung mô hình áp dụng trong khu vực dựa trên một mô hình vật lý tổng hợp và dữ liệu đầu vào nguồn mở. Các câu hỏi cần được trả lời là: Các kết quả đầu ra của mô hình được ước tính bằng một mô hình gộp chưa hiệu chỉnh dựa trên tham số vùng và dữ liệu đáng tin cậy đến mức nào? Những điểm không chắc chắn và hạn chế tiềm ẩn của một khuôn khổ như vậy là gì? Các ứng dụng tiềm năng của thành phần cân bằng nước mô phỏng trong giám sát lũ lụt là gì? Dữ liệu được lấy từ các bộ dữ liệu miễn phí và có sẵn. Dữ liệu đầu vào về khí tượng đến từ các mạng cảm biến khác nhau được tích hợp trong một Open Sensor Web, chủ yếu từ Cơ quan Khí tượng Đức (DWD) và các trạm khí hậu rừng của Sachsenforst. Mô tả mô hình yêu cầu bộ dữ liệu về độ cao (10 m, Văn phòng bang về Môi trường, Nông nghiệp và Địa chất-LfULG), lớp phủ đất (Copernicus: Land Cover 100m), đặc điểm của đất (BK50, LfULG) và cấu hình đất từ Kiểm kê Rừng Quốc gia Đức (NFI). Ngoài ra, sản phẩm độ ẩm của đất dựa trên vệ tinh (SMAP-L4-GPH từ Cơ quan Hàng không và Vũ trụ Quốc gia-NASA), dữ liệu các trạm thủy văn (LfULG) và các cụm địa điểm eddy covariance được giám sát bởi khoa Khí tượng học tại TU Dresden được sử dụng để xác nhận kết quả mô hình đầu ra. Ấn phẩm đầu tiên cung cấp khuôn khổ và trình bày chi tiết về việc tích hợp một mô hình vào nền tảng dữ liệu mở. Mô hình BROOK90 (phiên bản R) được nhúng vào một trang web cảm biến mở để ước tính các thành phần cân bằng nước hàng ngày cho hơn 6000 lưu vực (phụ) ở Sachsen. Hiệu suất của mô hình đã được xác nhận với các quan sát bằng dữ liệu dòng chảy ở mười lưu vực đầu nguồn được chọn và với SMAP-L4-GPH cho thành phần thoát hơi nước và độ ẩm của đất. Kết quả chỉ ra rằng khung có thể cung cấp các ước tính đáng tin cậy về khả năng giữ nước của đất ở độ phân giải cao. Ấn phẩm thứ hai đề cập đến khả năng sử dụng lượng mưa radar trong khuôn khổ này. Ở đây, trọng tâm là kiểm tra lượng mưa dài hạn có nguồn gốc từ radar để cải thiện ước tính cân bằng nước do lợi thế của nó trong phạm vi bao phủ không gian. Sản phẩm radar phân tích lại của DWD, RADKLIM, đã được áp dụng và tổng hợp để nhập mô hình hàng ngày. So sánh giữa lượng mưa bằng radar và máy đo mưa đã được thực hiện để đánh giá chất lượng của sản phẩm tại các điểm nghiên cứu, bao gồm cả việc bù đắp cho lượng mưa thất thoát bằng cách sử dụng hiệu chỉnh độ Richter. Kết quả cho thấy hiệu suất khả quan của khung với lượng mưa radar. Ấn phẩm thứ ba trình bày việc áp dụng đầu ra mô hình để cảnh báo lũ lụt. Hướng dẫn về lũ quét đã được sửa đổi và áp dụng để ước tính ngưỡng lượng mưa xem xét ảnh hưởng của độ ẩm đất trước đây. Khi đường cong ngưỡng mưa được tính toán, chỉ cần thông tin về lượng mưa và thông tin về độ ẩm của đất để đưa ra cảnh báo về khả năng xảy ra lũ quét. Phương pháp này đã được áp dụng ở lưu vực Wernersbach, trong Rừng Tharandt và được xác nhận với các sự kiện lịch sử. Kết quả của bảng dự phòng cho thấy tiềm năng của công cụ này để cảnh báo lũ quét, nhưng nó nên được thử nghiệm với các mô hình dòng chảy lượng mưa khác và các lưu vực dễ xảy ra lũ quét hơn.:Abstract/Zusammenfassung/Tóm tắt 1. Introduction 1.1 Motivation and scope 1.2 Problem formulation 1.3 Target setting 1.4 Structure of the thesis 2. Adjusted Flash Flood Guidance (FFG) framework 2.2 Terminology and definitions 2.2.1 Flash flood 2.2.2 Small catchment 2.3 FFG concept 2.4 Adjusted FFG framework 3. Core publications of the PhD thesis 4. Major findings 5. Conclusions and outlook References List of Abbreviations List of figures List of the author’s publication Appendixes including the core publications Erklärung