With an intensification of heavy rain events in a changing climate and a rapid urbanization the risk for pluvial flooding is increasing in our societies. Pluvial flooding, which is formed when the rainfall rate exceeds the infiltration or drainage rate, can occur rapidly and cause great damages, large economic losses and possibly risk human lives. This kind of flooding is difficult to predict since it is caused by short-term and often local processes, but preventive measures and more robust infrastructure developed over the last decades have decreased the risk of the most severe damages. One way to prevent damage is to map risk areas and take measures by performing a cloudburst modelling, which can be done as a 2D hydraulic modelling. Common practice in cloudburst modelling today is to use a uniform design storm, often the Chicago Design Storm (CDS), with the same hyetograph applied evenly over the whole model area. Even though rain is not spatially uniform this assumption might be valid for more stratiform frontal rain. Intense rain events however have a higher spatial variation in rain intensity, and an assumption like this might significantly affect the results. This study aimed to investigate the effect of the spatial variation in rain intensity on the modelled hydraulic response from an intense rain event. It was performed through a case study of the cloudburst in Gävle, Sweden, in August 2021. A 2D hydraulic model of the city was prepared in the software MIKE 21 Flow Model FM and the cloudburst event was simulated with a spatially varied rainfall input, based on radar data from the event with a 2x2 km resolution, and with spatially uniform rainfall input both with the temporal variation in rain intensity from the event and with a Chicago Design Storm, all with the same total volume. The scenarios were evaluated in terms of proportion of the model area being flooded, the average maximum flooding depth and by mapping the difference in flooding depth over the whole area. The results showed that the spatial variation of rainfall input had a significant effect on the hydraulic response in the city and that assuming a uniform rainfall might lead to an underestimation of the flooding depths in parts of the model area compared to a varied one. The average flooding depth was only a few percent higher for the spatially varied rain compared to the uniform rain with a similar time variation, but in large central areas of the city the model with the uniform rain underestimated the maximum flooding depth by 5-35%. The uniform CDS rain was seen to both over- and underestimate the flooding depth, but in the central and flooded parts of the city underestimation dominated. This points out a risk of using uniform design storms in cloudburst modelling, since a spatially varied rain of the same volume could give more severe effects than the simulated response and that using a uniform design storm potentially introduces an uncertainty in the modelled results that could be important to point out and further quantify. / Med en intensifiering av häftiga regnväder i ett förändrat klimat och en allt snabbare urbanisering ökar risken för pluviala översvämningar i våra samhällen. Pluviala översvämningar, som skapas av att regnintensiteten är högre än infiltrations- eller dräneringshastigheten, kan uppstå plötsligt och orsaka stora skador, ekonomiska förluster och även i värsta fall riskera människoliv. Denna typ av översvämning är svår att förutse eftersom den orsakas av snabba och ofta lokala processer, men förebyggande åtgärder och mer robust infrastruktur som har utvecklats de senaste decennierna har minskat risken för de allvarligaste skadorna. Ett sätt att förebygga skador är att kartera riskområden genom skyfallsmodellering, till exempel med en tvådimensionell hydraulisk modell. Praxis idag är att använda spatialt uniforma typregn vid skyfallsmodellering, där samma hyetograf appliceras jämnt över hela modellområdet. Detta antagande kan ge giltiga resultat för mer stratiforma frontregn, men intensiva regn, skyfall, har generellt sett en hög spatial variation i intensiteten vilket gör att antagandet skulle kunna påverka resultatet signifikant. Denna studie syftade till att undersöka effekten av den spatiala variationen i regnintensitet på den simulerade hydrauliska responsen från ett intensivt regn och den utfördes som en fallstudie av skyfallet i Gävle 17-18 augusti 2021. En 2D hydraulisk modell av Gävle förbereddes i programmet MIKE 21 Flow Model FM och simuleringar utfördes med en spatialt varierad regnindata, baserad på radardata från tillfället med en 2x2 km upplösning, och med spatialt uniforma regnindata både med den verkliga tidsvariationen och med en Chicago Design Storm (CDS), alla med samma totala volym. Skillnaden mellan scenarierna utvärderades genom att jämföra andel översvämmat modellområde, medel av maximala översvämningsdjupet och en kartering av skillnaden i översvämningsdjup över hela modellområdet. Resultaten visade att den spatiala variationen i regnindatan hade en signifikant effekt på den simulerade hydrauliska responsen i staden och att antagande om uniform regnintensitet kan leda till en underskattning av översvämningsdjupen i modellområdet jämfört med ett varierat regn. Medelvärdet av översvämningsdjupet var endast några procent högre  för det spatialt varierade regnet, men i stora centrala områden underskattade modellen med det uniforma regnet det maximala översvämningsdjupet med 5-35 %. Det uniforma CDS-regnet både under- och överskattade översvämningsdjupet, men i centrala och översvämmade områden var det större delar som underskattades. Detta visar på en risk med att använda uniforma typregn i skyfallsmodellering, då ett spatialt varierat regn med samma volym skulle kunna ge betydligt allvarligare effekter än de som modellen har visat och att användandet av uniforma testregn potentiellt inför en osäkerhet i resultaten som är viktig att poängtera och även att vidare undersöka och kvantifiera.

Pluvial floods are formed directly from surface runoff after extreme rain events. Urban areas are prone to suffer from these floods due to large portions of hardened surfaces and limited capacity in the stormwater infrastructure. Previous research has shown that catchment response is influenced by the spatio-temporal behaviour of the rainstorm. A rainstorm moving in the same direction as the surface flow can amplify the runoff peak and temporal variability of rainfall intensity generally results in greater peak discharge compared to constant rainfall. This research attempted to relate the effect of storm movement on flood propagation in urban pluvial flooding to the effect from different distributions of rainfall intensity. An additional objective was to investigate the flood response from recent findings on the temporal variability in Swedish rain events and compare it to the flood depths produced by a CDS-rain (Chicago Design Storm), where the latter is the design practice in flood modelling today. A 2D surface model of an urban catchment was coupled with a 1D model of the drainage network and forced by six different hyetographs. Among them were five empirical hyetographs developed by Olsson et al. (2017) and one a CDS-rain. The rainstorms were simulated to move in different directions: along and against the surface flow direction, perpendicular to it and with no movement. Maximum flood depth was evaluated at ten locations and the model results show that storm movement had negligible effect on the flood depths. The impact from the movement was likely limited by the big difference in speed between the rainstorm and the surface flow. All evaluated locations showed a considerable sensitivity to changes in the hyetograph. The maximum flood depth increased at most with a factor of 1.9 depending on the hyetograph that was used as model input. The CDS-rain produced higher flood depths compared to the empirical hyetographs, although one of the empirical hyetographs produced a similar result. Based on the results from this case study, it was concluded that storm movement was not as critical as the temporal variability of rainfall when evaluating maximum flood depth. / Pluviala översvämningar skapas från ytavrinning vid intensiva nederbördstillfällen. De uppstår ofta i urbana miljöer till följd av den höga andelen hårdgjorda ytor och ledningsnätets begränsade kapacitet. Forskning har visat att ett regnmolns rörelseriktning och hastighet påverkar avrinningsförloppet. Om molnet rör sig längs med flödesriktningen i terrängen kan en ökning i vattenlödet nedströms ett avrinningsområde uppstå. Denna effekt har visat sig vara störst om hastigheten hos regnmolnet och vattenflödet är likvärdiga. Ytterliggare en faktor som påverkar avrinningsförloppet är hur regnintensiteten är fördelad över tid. Olsson et al. (2017) har tagit fram fem empiriska regntyper som speglar tidsfördelning inom ett Svenskt regntillfälle. Inom översvämningsmodellering är det vanligt att använda ett så kallat CDS-regn (Chicago Design Storm), vilken har en given tidsfördelning. Med anledning av detta är det intressant att jämföra översvämningar genererade av ett CDS-regn och av de empiriska regntyperna. Syftet med denna studie var att utreda hur regnmolns rörelse påverkar urbana pluviala översvämningar med avseende på vattendjup, samt att jämföra denna påverkan med effekten från olika tidsfördelningar av regnintensiteter. En kombinerad dagvattenmodell (1D) och markavrinningsmodell (2D) av en mindre svensk tätort användes för att simulera olika regnscenarier. De fem empiriska regntyperna och ett CDS-regn simulerades med en rörelseriktning längs med, emot och vinkelrätt i förhållande till flödesriktningen. Även scenarier med stationära regnmoln simulerades. Maximala översvämningsdjup utvärderades i tio punkter spridda över hela modellområdet. Resultatet från simuleringarna visade att regnmolnets rörelse hade försumbar påverkan på översvämningsdjupen. De olika tidsfördelningarna av regnintensitet hade däremot betydande påverkan på de maximala översvämningsdjupen. Som mest var det det maximala översvämningsdjupet 1.9 gånger större beroende vilken regntyp som användes som indata. CDS-regnet genererade i regel de största översvämningsdjupen, även om utfallet från en av de fem empiriska regntyperna var förhållandevis likvärdigt. Regnintensitetens tidsfördelning var därmed en kritisk parameter vid den hydrauliska modelleringen av urbana pluviala översävmningar, till skillnad från molnrörelse som hade försumbar påverkan.

Pluvial floods are the most difficult and to date least investigated phenomena in urban hydrology. While efforts are being made to increase the knowledge base concerning this type of flooding, a large part of the difficulty lies in the nature of the precipitation. Convective storms represent most of the larger intensity short term rainfall in urban areas and is also the raintype, that is expected to increase the most in the future. The rain cells of this type have a more distinct boundary, larger intensity, a smaller extent and a shorter life span, than frontal rains. Combined with the low availability of densely spaced rain gauge networks and also low temporal resolution of measurements in 15 minutes intervals at best, makes this rain type still very difficult to analyze and even harder to predict. The resolution of cloud radar images at 2x2km and taken every 15 minutes is too coarse and the error reduction algorithms for radar based precipitation (HIPRAD) images to analysera in patterns are not sufficient by them selves to analyze the characteristics of such rainfields and the processes occurring within these fields. The spatial variation of raincells, their development and decay, the distance between them, and the velocity and direction of their movement can however be investigated employing a combination of densely spaced rain gauges and radar images to reach a more realistic representation of short-term precipitation for the use of in hydraulic models. The movement of rain fields has been investigated with two main areas of focus: The influence of direction or directional bias, often with an interest in the most crucial case referred to as the resonance effect, and in context of areal reduction of point rainfall. Most of these studies have been carried out with statistical methods and in laboratory experiments. In this study a hydraulic model was built on the terrain model of a realcity, a 28 km area in the city of Falun, to test the recently gathered information about the temporal variation of five empirical hyetographs with different peak arrival times and peak intensities, which are representative of Swedish climate. The hyetographs were produced and provided by SMHI. The empirical rain types were derived from 20 years of rain gauge observations and confirmed by radar images. For reference purposes, a standard Chicago design storm (CDS) rain was modeled as well. The simulated scenarios were modeled as a MIKE 21 hydraulic model, as a stationary scenario and in four movement directions. It was foundthat the empirical rain types produced lower inundation depth than the CDS, in a range of 20 to 50 % lower. The effect of modeling rainfall in motion produced on average only about 4-20 % lower water depths than the corresponding non-moving scenario. In a few instances, in a single evaluation point, the moving scenarios resulted in a relative water depth of a maximum of just above 1%. It was concluded that the conceptual approach of areal reduction from movement seems to be accurate and could help improve modeling rainfall in general, and specifically for cloud burst scenarios of shorter durations in urban catchments. It was also found that further investigation of the physical processes in rainfields could serve to increase the accuracy in areal reduction of precipitation for more realistic hydraulic models and in turn reduce over design. / Pluviala översvämningar är den typen, som är både svårast att reda ut och samtidigt den minst utforskade fenomenen inom urban hydrologi. Medan ansträngningar görs för att förbättra kunskapsläget, ligger den största svårigheten i nederbördens skepnad. Det är konvektiva regn som utgör de flesta av de starkare korttids regntillfällen i urbana områden och är också regntypen som förväntas att öka mest i framtiden. Regncellerna har en tydligare avgränsning, en större intensitet, mindre utsträckning, och en kortare livscykel än frontala regn. I kombination med den låga tillgängligheten av regnmätarnätverk med hög täthet i positioneringen av mätare, samt den låga tidsupplösningen av mätningar i intervaller av 15 minuter gör att konvektiva regn fortfarande är svåra att analysera och ännu svårare att förutse. Upplösningen av molnradar bilder av 2x2 km som tas varje 15:de minut är för grova och algoritmer för felreducering av bilder från radarbaserad nederbördsdata (HIPRAD) för analys av regn mönster är inte tillräckligt noggranna, för sig, för att kunna analysera egenskaperna av sådana regnfält och de processerna som karakteriserar dessa. Den spatiala variationen inom regnceller, deras utveckling och förfall, avståndet mellan dem samt riktningen och hastigheten kan ändå undersökas med hjälp av kombinationen av regnmätarnätverk och radar bilder för att uppnå mer realistiska korttids nederbördsscenarier för användning i hydrauliska model. Studier, som har undersökt regn i rörelse har varit fokuserade på två huvudområden: Betydelsen av riktningen, i vilken regnet rör sig, där den största effekten som denna riktningsbias kan uppnå, har döpts resonans effekt och i samband med ytreducering (areal reduction) av punkt nederbörd. De flesta av dessa studier har genomförts med hjälp av statistiska metoder och laboratorieexperiment. I denna studie skapades en hydraulisk modell baserad på en realistisk terräng av ett existerade urbant område, en yta på 28 km i Falun, för att testa den nyligen utvärderade informationen om temporala intensitets fördelningen som representerar det svenska klimatet. Regndatat producerades och tillhandahölls av SMHI och representerar en mätserie från regnmätare över en period av 20 år. Som referens modellerades även ett Chicago regn (CDS). Med hjälp av en MIKE21 hydraulisk modell, simulerades ett stationärt scenario och fyra rörelseriktningar för varje empirisk hyetograf. Resultaten visade att de empiriska regntyperna skapade översvämningar med 20-50% lägre vattendjup än CDS regnet. Att modellera rörelsen resulterade i 4-20% lägre vattennivåer jämfört med respektive stationär scenario. I några enstaka tillfällen, i en av evalueringspunkterna, skapade de rörliga scenarierna större resultat, med lite över 1% i det största fallet. Det drogs slutsatsen att konceptet av areal reduction genom molnrörelse verkar vara korrekt och skulle kunna hjälpa att förbättra sättet att modellera regn generellt, men också specifikt för skyfalls scenarier med korta varaktigheter över urbana avrinningsområden. Man kom ytterligare till slutsatsen att framtida studier i samband med de fysiska processerna i regnceller skulle kunna användas för att höja noggrannheten av ytreducering av nederbörd för mer realistiska hydrauliska modeller, som i sin tur kunde minska överdesign.