Die Modellierung eng begrenzter konvektiver Starkniederschlagsgebiete mit mesoskaligen numerischen Wettervorhersagemodellen ist durch die enorme Bandbreite der möglichen Zellverteilungen stets auf eine bestimmte Problemstellung beschränkt. Zahlreiche Autoren haben sich der Untersuchung superzellulärer Strukturen mithilfe idealisierter Strömungssimulationen gewidmet, um deren Entwicklung in unterschiedlichen atmosphärischen Umgebungen zu beschreiben (Atkins et al., 1999, Bluestein & Weisman, 2000, unter anderen). Im vorliegenden Artikel wird die Sensitivität der simulierten Niederschlagsintensität in Bezug auf verfügbare Labilitätsenergie, Umgebungswindverhältnisse sowie Einfluss orografischer Erhebungen näher betrachtet. Das dazu verwendete LMK mit 2:8km Gitterweite wurde ohne eine parametrisierte Behandlung der konvektiven Prozesse betrieben. Die Modellergebnisse der Simulationen mit idealisierten Eingangsbedingungen werden mit denen einer Fallstudie eines konvektiven Starkniederschlagsereignisses am 16.06.2006 in Sachsen bewertet. / Due to the huge variety of possible cell distributions, the simulation of small-scale heavy convective precipitation events using mesoscale numerical weather prediction models is limited to a certain issue of investigation. Numerous authors addressed the examination of supercellular structures by idealized ow simulations to describe their behaviour under various atmospheric conditions (Atkins et al., 1999, Bluestein & Weisman, 2000, among others). The presented paper studies the sensitivity of simulated precipitation intensity in response to the available amount of instability, environmental wind speed and -shear as well as orographic in uences. For this purpose, the LMK model with 2:8km grid spacing has been applied without a parameterized treatment of convective processes. The model results of the simulations involving idealized initial conditions are reviewed related to a case study of a severe storm event in Saxony on June, 16th 2006.

Globalmodelle sind aufgrund ihres groben Gitters (60 x 60 km) nur unzureichend in der Lage kleinskalige Prozesse (orographische Niederschlagsverstärkung) in der Atmosphäre aufzulösen. Mit Mesoskalenmodellen z.B. dem GESIMA (5 x 5 km) können deshalb die physikalische Grundlagen der Atmosphäre (Wolken- und Niederschlagsbildung) besser studiert und eine Kopplung mit hydrologischen Abflussmodellen erprobt werden. Zukünftig sieht dieses Projekt genau das vor, wobei der erste Teil, die Arbeit mit dem meteorologische Modell hier vorgestellt werden soll. Starkniederschlagserreignisse sind vielerorts auf der Welt mit charakteristischen Wetterlagen verbunden, die quasi über Tage unverändert ergiebigen Regen produzieren. Initialisiert mit den lokalen Vertikalprofilen aus Radiosondendaten, produzieren das prognostische Mesoskalenmodell GESIMA und das diagnostische Niederschlagsberechungsverfahren (MAXRR) maximale Regenmengen vergleichbarer Größenordnung. / Global models are insufficient to solve small scale atmospheric processes (e.g. orographic precipitation) due to their gross resolution (60 x 60 km). With mesoscale models e.g. the GESIMA (5 x 5 km), the physical fundamentals of the atmosphere (formation of precipitation and clouds) can better be studied and a coupling with hydrological models be tested through. This project plans exactly, as a first step, the work with the cited meteorological model. Heavy rainfall events are connected with characteristic weather conditions in many places in the world which produce invariably rain quasi over days. Initialized with the local vertical profiles from radiosonde data, the prediction model GESIMA and the diagnostic model MAXRR produced rain quantities of comparable order of magnitude.

Das Lokalmodell (LM) wurde für eine Reihe von Sensitivitätsuntersuchungen bezüglich orografischer Beeinflussung von Niederschlag verwendet. Für die Initialisierung des Modells mit Anfangs- und Randdaten wurde ein Schema entwickelt, welches eine horizontal homogene und stationäre Strömung aus einem einzelnen Vertikalprofil der benötigten atmosphärischen Variablen erstellt. Dabei wird hier auch der horizontale Luftdruckgradient berücksichtigt, wodurch eventuelle Auswirkungen der Coriolisterme auch ohne eine sehr große Entfernung des Zielgebietes vom Modellrand untersucht werden können. Simulationen mit idealisierten Eingangsfeldern können zur Verdeutlichung des Einflusses eines orografischen Hindernisses auf das dreidimensionale Strömungsfeld dienen. Außerdem sind sie zur Validierung bestimmter Parametrisierungen geeignet, da sich im Gegensatz zu realen Randdaten keine überlagerten synoptisch-skaligen Störungen im Modellgebiet befinden. Die hier verwendete Konvektionsparametrisierung nach Tiedtke (1989) zeigt unterschiedlich ausgeprägte Niederschlagsverteilungen und Flächenmittel in Abhängigkeit von der unterliegenden Orografie. / The Lokalmodell (LM) has been used for a series of sensitivity studies treating orographic modification of precipitation. An initialization technique has been developed which generates a horizontally homogeneous and stationary flow out of a single vertical profile of the required atmospheric variables. Herein, the horizontal pressure gradient is considered as well, allowing to investigate the influence of the Coriolis terms without the need for the area under investigation to be far away from the model boundaries. Simulations with idealized initialization fields can help to illustrate the influence of orographic obstacles on the three-dimensional flow field. Furthermore, they enable to validate certain parameterizations because of the missing synoptic-scale disturbances, which are present using real boundary data. The chosen parameterization of convection after Tiedtke (1989) shows different distributions of precipitation and its area-averaged values depending on the underlying orography.

The uncertainty of predicted fluxes, variables of state, cloud- and precipitation formation to the choice of plant- and soil parameters, soil type, subgrid-scale heterogeneity and inhomogeneity is examined by results of simulations wherein one parameter is alternatively changed for all grid cells of the domain within its natural range of variability. A higher sensitivity of evapotranspiration to evaporative conductivity, roughness length, and subgridscale heterogeneity or inhomogeneity is found than for the other parameters examined. Except for wind velocity, the quantities of liquid and solid water substances the uncertainty is lower at night and early afternoon than at other times. Therefore, evaluation of meteorological models should be performed at those times of the day when the uncertainty in model results caused by the choice of plant and soil parameters is at a minimum. Furthermore, domainspecific parameters should be used when ever available. / Die Unsicherheit in simulierten Flüssen, Zustandsgrößen, Wolken- und Niederschlagsbildung durch die Wahl der Pflanzen- und Bodenparameter, Bodentypen, subskaligen Heterogenität und Inhomogenität wird mit Hilfe von Ergebnissen aus Simulationen untersucht, in denen alternativ für alle Gitterzellen ein Parameter im Rahmen seiner natürlichen Variabilität verändert wird. So besteht eine höhere Sensitivität der Evapotranspiration zur Verdunstungsleitfähigkeit, Rauhigkeitslänge und subskaligen Heterogenität oder Inhomogenität als zu den anderen untersuchten Größen. Windgeschwindigkeit, die Menge an flüssigen und festen Wassersubstanzen ausgenommen, ist die Unsicherheit nachts und am frühen Nachmittag geringer als zur übrigen Zeit. Deshalb sollten Modellevaluationen möglichst zum Zeitpunkt geringer Unsicherheit durchgeführt werden. Darüber hinaus sollten, wenn möglich, gebietsspezifische Parameter verwendet werden.

Tesis por compendio / [ES] La mayoría de los estudios científicos pronostican un incremento en la frecuencia y magnitud de los episodios de precipitaciones extremas como consecuencia de los efectos del cambio climático. Además, se espera que en un plazo de 50 años el 80% de la población mundial viva en zonas propensas a inundaciones. Este incremento en la peligrosidad, vulnerabilidad y en la exposición al peligro de lluvias intensas supone un aumento significativo en el riesgo de inundaciones, ya de por si elevado, que manifiesta la urgente necesidad de tomar medidas encaminadas a reducir la vulnerabilidad y desarrollar metodologías capaces de estimar con la mayor precisión posible la magnitud y la probabilidad de ocurrencia de estos posibles fenómenos extremos. En esta última dirección va dirigida la presente tesis doctoral, presentando una nueva metodología basada en el uso de generadores meteorológicos estocásticos para la estimación de la frecuencia de avenidas extremas tanto en escenarios de clima actual como de cambio climático. Más allá del paradigma de la tormenta de diseño y de los estudios tradicionales de análisis de frecuencia de inundaciones, la metodología propuesta en esta tesis se basa en la simulación sintética continua: generador meteorológico estocástico + modelo hidrológico espacialmente distribuido. El uso de generadores meteorológicos estocásticos para el análisis de frecuencia de inundaciones es una práctica cada vez más común dentro de la comunidad hidrológica. Sin embargo, es necesario disponer de observaciones largas y completas para obtener estimaciones de cuantiles confiables para altos períodos de retorno. La novedad que introduce la metodología propuesta se basa en la integración de estudios regionales de precipitación máxima en la implementación del generador meteorológico, lo que reduce considerablemente la incertidumbre en las estimaciones de cuantiles (especialmente aquellos asociados a eventos de baja frecuencia) debida a los usualmente cortos y escasos registros hidrometeorológicos de los que se dispone hasta la fecha. Esta tesis se presenta como un compendio de cinco publicaciones: tres de ellas ya publicadas y dos en proceso de revisión en revistas indexadas en el Journal Citation Report. Estos documentos narran la progresión de la metodología a lo largo de diversas etapas hasta llegar al enfoque final. Inicialmente concebida para el clima actual a escala diaria, la metodología fue posteriormente adaptada a escala subdiaria y finalmente desarrollada para su aplicación en escenarios de clima futuro. A lo largo de este proceso, se abordaron estudios de incertidumbre asociados a la cantidad de información que involucran tanto las estimaciones de cuantiles de precipitación como de inundación. Las metodologías se han implementado en dos casos de estudio: Rambla de la Viuda (Castellón) y; la cuenca del río Segura, cuyos resultados han evidenciado la solidez y eficacia de las metodologías. En el ámbito de la modelización meteorológica, los resultados han sido consistentes y satisfactorios, demostrando la capacidad de la metodología para representar con precisión las complejidades de los patrones climáticos. Asimismo, en el ámbito hidrológico, la metodología ha exhibido una eficaz capacidad para representar y simular los procesos relacionados con el ciclo del agua, ofreciendo resultados coherentes y satisfactorios en la estimación de caudales y eventos de inundación tanto en clima actual como en clima futuro. Esta consistencia en la robustez de la metodología, tanto en la modelización meteorológica como hidrológica, respalda su aplicabilidad y confiabilidad en entornos y condiciones climáticas diversas. / [CA] La majoria dels estudis científics pronostiquen un increment de la freqüència i la magnitud dels episodis de precipitacions extremes a conseqüència dels efectes del canvi climàtic. A més, s'espera que en un termini de 50 anys el 80% de la població mundial habite en zones propenses a inundacions. Aquest acreixement en la perillositat, vulnerabilitat i exposició al perill de pluges intenses suposa un augment significatiu del risc d'inundacions, ja de per si elevat, que manifesta la urgent necessitat de prendre mesures encaminades a reduir la vulnerabilitat i desenvolupar metodologies que permeten estimar amb la major precisió possible la magnitud i la probabilitat d'ocurrència d'aquests possibles fenòmens extrems. En aquesta última direcció va dirigida la present tesi doctoral, que presenta una nova metodologia basada en l'ús de generadors meteorològics estocàstics per a l'estimació de la freqüència d'avingudes extremes, tant en escenaris de clima actual com de canvi climàtic. Més enllà del paradigma de la tempesta de disseny i dels estudis tradicionals d'anàlisis de freqüència d'inundacions, la metodologia proposada en aquesta tesi es basa en la simulació sintètica contínua: generador meteorològic estocàstic + model hidrològic espacialment distribuït. L'ús de generadors meteorològics estocàstics per a l'anàlisi de freqüència d'inundacions és una pràctica cada vegada més comuna dins de la comunitat hidrològica. No obstant això, és necessari disposar d'observacions llargues i completes per a obtindre estimacions de quantils de confiança per a alts períodes de retorn. La novetat que introdueix la metodologia proposada es basa en la integració d'estudis regionals de precipitació màxima en la implementació del generador meteorològic, la qual cosa redueix considerablement la incertesa en les estimacions de quantils (especialment d'aquells associats a esdeveniments de baixa freqüència) a causa dels usualment curts i escassos registres hidrometeorològics dels quals es disposa fins a la data. Auqesta tesi es presenta com un compendi de cinc publicacions: tres d'elles en ja publicades i dos en procés de revisió en revistes indexades en el Journal Citation Report. Aquests documents narren la progressió de la metodologia al llarg de diverses etapes fins arribar a l'enfocament final. Inicialment concebuda per al clima actual a escala diària, la metodologia va ser posteriorment adaptada a escala subdiària i finalment desenvolupada per a la seua aplicació en escenaris de clima futur. Al llarg d'aquest procés, es van abordar estudis d'incertesa associats a la quantitat d'informació que involucren tant les estimacions de quantils de precipitació com d'inundació. Les metodologies s'han implementat en dos casos d'estudi: Rambla de la Vídua (Castelló) i; la conca del riu Segura, els resultats del qual han evidenciat la solidesa i eficàcia de les metodologies. En l'àmbit de la modelització meteorològica, els resultats han estat consistents i satisfactoris, ja que han demostrat la capacitat de la metodologia per a representar amb precisió les complexitats dels patrons climàtics. Així mateix, en l'àmbit hidrològic, la metodologia ha exhibit una eficaç capacitat per a representar i simular els processos relacionats amb el cicle de l'aigua, i ens ha oferit resultats coherents i satisfactoris en l'estimació de cabals i esdeveniments d'inundació tant en clima actual com en clima futur. Aquesta consistència en la robustesa de la metodologia, tant en la modelització meteorològica com en la hidrològica, recolza la seua aplicabilitat i confiabilitat en entorns i condicions climàtiques diverses. / [EN] Most scientific studies predict an increase in the frequency and magnitude of extreme precipitation events as a consequence of climate change effects. Furthermore, it is expected that within 50 years, 80% of the global population will reside in flood-prone areas. This heightened risk, vulnerability, and exposure to intense rainfall hazards signify a significant rise in the flood risk, already elevated. It underscores the urgent need to implement measures to reduce vulnerability and develop methodologies capable of accurately estimating the magnitude and probability of occurrence of these potential extreme events. This doctoral thesis is directed towards this objective, presenting a new methodology based on the use of stochastic weather generators for estimating the frequency of extreme floods in both current and climate change scenarios. Beyond the Design Storm paradigm and traditional Flood Frequency Analysis studies, the methodology proposed in this thesis relies on continuous synthetic simulation: stochastic weather generator + spatially distributed hydrological model. The use of stochastic weather generators for Flood Frequency Analysis is becoming increasingly common within the hydrological community. However, reliable quantile estimates for high return periods require long and complete observations. The innovation introduced by the proposed methodology lies in the integration of regional studies of maximum precipitation into the implementation of the weather generator, significantly reducing uncertainty in quantile estimates (especially those associated with low-frequency events) due to the typically short and limited hydrometeorological records available to date. This thesis is presented as a compilation of five publications: three already published and two under review in journals indexed in the Journal Citation Report. These documents narrate the progression of the methodology through various stages to its final approach. Initially conceived for the current climate at a daily scale, the methodology was later adapted to a subdaily scale and ultimately developed for application in future climate scenarios. Throughout this process, uncertainty studies were addressed concerning the amount of information involving both precipitation and flood quantile estimates. The methodologies have been implemented in two case studies: Rambla de la Viuda (Castellón) and the Segura River basin, with results demonstrating the robustness and effectiveness of the methodologies. In the field of meteorological modeling, the results have been consistent and satisfactory, showcasing the methodology's ability to accurately represent the complexities of climate patterns. Likewise, in the hydrological domain, the methodology has exhibited effective capabilities in representing and simulating processes related to the water cycle, offering coherent and satisfactory results in the estimation of flows and flood events in both current and future climates. This consistency in the robustness of the methodology, both in meteorological and hydrological modeling, supports its applicability and reliability in diverse environmental and climatic conditions. / This work was supported by the Spanish Ministry of Science and Innovation through the research projects TETISCHANGE (RTI2018-093717-B-100) and TETISPREDICT (PID2022-141631OB-I00). Funding for the Open Access charge has been provided by Universitat Politècnica de València / Beneyto Ibáñez, C. (2024). On the Use of Weather Generators for the Estimation of Low-Frequency Floods under a Changing Climate [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/205179 / Compendio