Change search
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
The influence of temporal rainfall distribution and storm movement on flood depth in urban pluvial cloud burst modeling
KTH, School of Architecture and the Built Environment (ABE), Sustainable development, Environmental science and Engineering.
2019 (English)Independent thesis Advanced level (degree of Master (Two Years)), 20 credits / 30 HE creditsStudent thesisAlternative title
Inflytandet av regnets tidsfördelning och stormens rörelse på översvämningdjup inom modellering av urbana pluviala skyfall (Swedish)
Abstract [en]

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.

Abstract [sv]

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.

Place, publisher, year, edition, pages
2019. , p. 74
Series
TRITA-ABE-MBT ; 19707
Keywords [en]
Pluvial flooding, cloud burst, flood modeling, MIKE 21, temporal distribution, storm movement, areal reduction factors, ARFs, hyetograph, design storm, CDS
Keywords [sv]
Pluviala översvämningar, skyfall, översvämningsmodellering, MIKE 21, regnmönstrets tidsfördelning, molnrörelse, areal reduktion av nederbörd, ARFs, hyetograph, typregn, CDS
National Category
Engineering and Technology
Identifiers
URN: urn:nbn:se:kth:diva-265572OAI: oai:DiVA.org:kth-265572DiVA, id: diva2:1379113
Supervisors
Examiners
Available from: 2019-12-16 Created: 2019-12-16 Last updated: 2019-12-16Bibliographically approved

Open Access in DiVA

fulltext(4066 kB)4 downloads
File information
File name FULLTEXT01.pdfFile size 4066 kBChecksum SHA-512
0a7653ad1bc734db49883bfa5ec7ad2a960c3545b295745b71c18e222a34f1c2dca35dadade6320d8bc3d5efd7638b781cc41d85329643ac6eb6ac5b44577972
Type fulltextMimetype application/pdf

By organisation
Sustainable development, Environmental science and Engineering
Engineering and Technology

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar
Total: 4 downloads
The number of downloads is the sum of all downloads of full texts. It may include eg previous versions that are now no longer available

urn-nbn

Altmetric score

urn-nbn
Total: 30 hits
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf