Universität zu Köln

Xia, Qian (2019). Development and Application of a Coupled Atmospheric and Hydrological Modelling System. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

A complete simulation for the regional water cycle and the catchment-scale hydrological response to climate change requires hydro-meteorological models, which represent the relevant processes taking place in the atmosphere, at the land surface, and in the subsurface, as well as their interactions. In this study, a coupled Atmospheric and Hydrological Modelling System (AHMS) is developed by two-way coupling the atmospheric model WRF and the distributed hydrological model HMS via the land surface model Noah-MP LSM. This fully coupled system enables to explicitly describe hydrological processes for the atmospheric modelling at catchment and continental scale. The Huaihe basin in China is selected as a study case. A new parameterization of hillslope runoff is developed by considering the effect of hillslope topography on infiltration capacity. This new parameterization is first applied in the coupled land surface and hydrological model NoahMP-HMS that is offline driven by surface meteorological data. The offline simulations with and without the new parameterization are compared to the observations. The comparison shows that this new parametrization significantly enhances the production of surface runoff. By including this enhancement in the runoff estimates, the NoahMP-HMS can reproduce the hydrological processes within the Huaihe basin and the regional water balance at high precision. It is revealed by the statistical evaluations. The Nash-Sutcliffe efficiency coefficients (NSIs) are 0.67, 0.81, and 0.80 for the simulated daily streamflow from 1980 to 1987 at three hydrological stations in the main river; and their water balance indexes (WBIs) are close to 1.0. The spatiotemporal variability of hydrological processes in the basin is studied, based on the NoahMP-HMS simulation from 1979 to 2003. On monthly scale, the change of water storage in the aquifer is linearly correlated to net precipitation. Due to a large amount of net precipitation from June to August, the groundwater table starts uplifting from June and reaches its maximum in September. Over the basin, deep groundwater is found in the mountains, and shallow groundwater at the foothills of the mountains and in the downstream plains. The monthly precipitation largely determines the monthly runoff in the basin, nevertheless, the runoff shows a larger temporal variability. Throughout the year, the groundwater continuously supplies water for the rivers, while the surface runoff shows an obvious monthly variation. Furthermore, the runoff coefficients in the mountains are significantly higher than in the plains, which implies a high flood risk by the intense rainfall in this region. The AHMS with the new parameterization is used for the coupled atmospheric and hydrological simulation in the Huaihe basin from July to November 1991. The evaluation of AHMS results with the observations indicates that the AHMS performs well in modelling atmospheric variables and provides reasonable daily streamflow estimates (NSIs = 0.55, WBIs = 0.63–0.79). Compared to the stand-alone WRF simulation, the soil water dynamics behaves differently in the AHMS simulation, on which the impact of hydrological processes is associated with groundwater depth. Under suction of deep unsaturated soil and gravity effect, soil drainage occurring at the bottom of soil model domain is higher than gravitational drainage (in WRF); it results in drier soil conditions in the mountains. Groundwater is capable of moistening overlaying soil by capillary rise; these capillary fluxes widely occur in the relatively deep groundwater region, especially in dry soil conditions, which efficiently recharges soil water content. Besides, gravitational water can accumulate above groundwater table and laterally flows, which is described in the AHMS but not in the WRF; consequently, the soil moisture in the shallow groundwater region (depths of 0–2 m) is significantly higher (increased by 26%) in the AHMS. Due to the spatial variation of groundwater depth in the basin, the impact of the coupled atmospheric and hydrological simulation on soil moisture presents a large spatial variability. Consistently, the shift of evaporation and air temperature exhibits a similar spatial patter as that of soil moisture. On average, the embedment of hydrological processes into the AHMS results in higher soil moisture (by 7%) and evaporation (by 8%), as well as lower air temperature (-0.2 ºC) in the Huaihe basin. Their effect on basin-averaged precipitation is insignificant, but results in a spatial redistribution of precipitation in the basin, with local changes up to ±30%. In summary, the simple, but efficient parameterization of hillslope runoff is achieved. Benefiting from it, the model captures well the hydrological processes in the Huaihe basin. The AHMS can appropriately simulate the atmospheric and the hydrological processes at catchment scale, and their interaction.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:	Abstract Language Zur Simulation des vollständigen regionalen Wasserkreislaufs und der hydrologischen Reaktion auf Klimaänderungen auf der Skala von Wassereinzugsgebieten werden hydro-meteorologische Modelle benötigt, die die relevanten Prozesse der Atmosphäre, an der Landoberfläche und des Erdbodens, sowie ihre Wechselwirkungen darstellen. In dieser Arbeit wird ein gekoppeltes atmosphärisches und hydrologisches Modellierungssystem (AHMS) entwickelt, das die beidseitigen Wechselwirkungen zwischen dem hydrologischen Modell HMS und dem regionalen Atmosphärenmodell WRF über das Landoberflächenmodell Noah-MP LSM realisiert. Das vollständig gekoppelte System erlaubt die explizite Beschreibung der hydrologischen Prozesse auf Skalen von Wassereinzugsgebieten bis zu Kontinenten. Das Einzugsgebiet des Huaihe in China dient als Fallstudie. Eine neue Parametrisierung für den Überlandabfluss wird mit Berücksichtigung der Auswirkungen der Hangverteilung auf die Infiltrationskapazität entwickelt. Diese neue Parametrisierung wird zunächst in dem Modell NoahMP-HMS angewendet, welches "offline" mit meteorologischen Bodendaten angetrieben wird. Die "offline" Simulationen mit und ohne die neue Parametrisierung werden mit Beobachtungsdaten verglichen. Dabei zeigt sich, dass die neue Parametrisierung die Generierung von Überlandabfluss deutlich erhöht. Durch diese überarbeitete Abschätzung des Überlandabflusses kann das Modell NoahMP-HMS die hydrologischen Prozesse im Einzugsgebiet des Huaihe und die Wasserbilanz auf regionaler Skala mit hoher Präzision reproduzieren. Dies zeigt sich für den simulierten täglichen Abfluss des Flusses Huaihe zwischen 1980 und 1987 für drei hydrologische Messstationen am Hauptfluss anhand des Nash-Sutcliffe Effizienzköffizienten (NSIs) von 0,67, 0,81 und 0,80, und die Wasserbilanzindizes (WBIs) nahe 1,0. Die raumzeitliche Variabilität der hydrologischen Prozesse im Einzugsgebiet wird mit einer NoahMP-HMS Simulation für den Zeitraum von 1979 bis 2003 untersucht. Auf Monatsskala besteht ein linearer Zusammenhang zwischen der im Boden gespeicherten Wassermenge im Aquifer und der Nettoniederschlagsmenge. Aufgrund der hohen Nettoniederschlagsmenge von Juni bis August steigt der Grundwasserspiegel ab Juni und erreicht sein Maximum im September. Im Untersuchungsgebiet liegt in den Gebirgsregionen tiefes Grundwasser vor, während es im Vorgebirge und im Flachland relativ hoch ist. Der monatliche Oberflächenabfluss wird hauptsächlich durch den Monatsniederschlag bestimmt, weist jedoch eine größere zeitliche Variabilität als dieser auf. Während die Zufuhr von Grundwasser in den Fluss stetig über das ganze Jahr geschieht, unterliegt der Überlandabfluss einer klaren monatlichen Variabilität. Des Weiteren wird aus der gleichen Menge Niederschlag im Gebirge deutlich mehr Überlandabfluss generiert als im Flachland. Dies fuehrt zu einer erhöhten Flutgefahr durch Starkniederschläge in den Gebirgsregionen. Das AHMS mit der neuen Parametrisierung wird zur Simulation der gekoppelten Hy-drologie und Atmosphäre des Huaihe Einzugsgebiet der Zeitraum von Juli bis No-vember 1991 verwendet. Die Evaluation des AHMS mit Beobachtungsdaten zeigt, dass das Modell die atmosphärischen Variablen gut darstellt und die täglichen Flussa-blussmengen vernuenftig abschätzt (NSIs = 0,55, WBIs = 0,63–0,79). Im Vergleich mit der WRF-Simulation weist die AHMS-Simulation eine unterschiedliche Bodenwasserdynamik auf, wobei der Einfluss hydrologischer Prozesse mit der Grundwassertiefe zusammenhängt. In tiefgelegenen Grundwasserregionen sinkt, durch das Zusammenwirken von Gravitation und Saugwirkung ungesättigter Böden, das Wasser stärker ab als bei der WRF Simulation, wo nur der Einfluss der Gravitation eine Rolle spielt. Dies fuerht zu trockeneren Böden in den Gebirgsregionen bei der AHMS-Simulation. Dieser kapillare Feuchtefluss ist insbesondere unter trockenen Bedingungen im relativ tiefen Grundwasserbereich relevant, wo es die Bodenfeuchtigkeit wieder auffuellt. Des Weiteren kann sich absinkendes Bodenwasser über dem Grundwasserspiegel akkumulieren und lateral abfließen. Dieser Prozess ist in AHMS dargestellt, jedoch nicht in WRF. Infolgedessen simuliert AHMS im Vergleich zu WRF im flachen Grundwasserbereich (Tiefen von 0–2 m) eine deutlich größere Bodenfeuchte (26%). Aufgrund der räumlichen Variation der Grundwassertiefe im Einzugsgebiet zeigt die gekoppelte atmosphärische und hydrologische Simulation eine große räumliche Variabilität der Bodenfeuchte auf. Entsprechend weisen die Änderungen der simulierten Evaporation und der Lufttemperatur ähnliche räumliche Muster wie die Änderungen der Bodenfeuchte auf. Im Mittel ist für den Simulationszeitraum die Bodenfeuchte um 7% und die Evaporation um 8% erhöht, sowie die Temperatur um 0,2°C verringert. Die Auswirkungen des gekoppelten Models auf den gemittelten Niederschlag im Einzugsgebiet sind unbedeutend. Es fuehrt jedoch zu einer räumlichen Neuverteilung des Niederschlags im Becken mit lokalen Änderungen von bis zu ±30%. Insgesamt konnte in der vorliegenden Studie eine einfache aber effiziente Parametrisierung für den Hangabfluss gefunden werden. Mit dieser kann das Modell die hydrologischen Prozesse im Flusseinzugsgebiet gut erfassen. Mit dem AHMS können Atmosphäre und Hydrologie, sowie ihre Wechselwirkungen, für ein gesamtes Flusseinzugsgebiet simuliert werden. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Xia, Qian xqfyz1987@gmail.com UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-94507
Date:	20 March 2019
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences > Department of Geosciences > Institute for Geophysics and Meteorology
Subjects:	Natural sciences and mathematics
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language hydro-meteorological model, hillslope runoff parameterization, offline simulation, coupled simulation English
Date of oral exam:	23 October 2018
Referee:	Name Academic Title Shao, Yaping Prof. Dr. Schneider, Karl Prof. Dr. Crewell, Susanne Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/9450