En bra mätning av nederbörd är avgörande vid modellering av urbana avrinningsområden och konventionella regnmätare har brister vid uppskattning av dynamiken i tid och rum. Kommersiella mikrovågslänkar för uppskattning av nederbörd kan rätt använda ge ett viktigt bidrag till modellering av avrinningen till en låg kostnad.
Av: Bengt Andersson
Vid modellering av avrinning från urbana områden är det viktigt att ha tillgång till nederbördsinformation, som beskriver dynamiken i såväl tid som rum. Det är oftast en brist då mätningar från konventionella regnmätare av tipping-bucket-typ används. Användning av nederbördsradar har därför ökat men även denna typ av mätningar har påtagliga felkällor och radarbilder finns inte alltid tillgängliga.
Under senare år har kommersiella mikrovågslänkar (MWL) från telekommunikationsnätverk föreslagits som en ny källa för nederbördsinformation. MWL är ett punkt-till-punkt radiosystem, som förbinder två fjärrstyrda platser. Nederbörd dämpar radiovågorna särskilt vid frekvenser över ca 8 GHz och detta kan användas för en kvantitativ uppskattning av nederbörden (QPE). Tidigare undersökningar har visat på systematiska och slumpmässiga fel vid användning av tekniken. Emellertid har påverkan av topologin på MWL i mikroskala inte rapporterats och i många fall har frekvensen av loggade MWL-signaler varit alltför grov.
Syftet med refererad studie var dels att studera topologins betydelse för att fånga regnens dynamik i tid och rum genom observationer från en eller flera MWL inom ett tämligen litet område av några få km2 dels att utnyttja MWL med en hög frekvens med en tidsupplösning av några få sekunder.
Genomförande av undersökningen
Undersökningen genomfördes för ett område med en yta av 2,3 km2 i en förstad till Prag. Använd utrustning bestod av 13 MWL (Minilink, Ericsson) och 3 nederbördsmätare av tipping-bucket typ. MWL drevs vid frekvenser mellan 25 och 39 GHz och med en mikrovågssträcka varierande mellan 0,6 och 5,8 km. Försöksperioden sträckte sig mellan juni och oktober 2013 och 12 olika regntillfällen inträffade med en ackumulerad nederbördsmängd av mer än 5 mm och där samtliga nederbördsmätare fungerade samtidigt.
Genomsnittlig nederbörd längs radiovågen beräknades som en funktion av dämpningen vid varje tidpunkt, dämpningen vid torrväder (baslinjen) och dämpningen på grund av att antennen blev våt. 13 olika layouter med olika antal MWL värderades, där MWL indelades i två grupper beroende på den dominanta riktningen av avrinningen från området. Varje layout utvärderades för alla observerade händelser och MWL rankades i stigande ordning beroende på deras relativa fel i regnvolymen. Olika layouter bestämdes genom att alternerande välja MWL från varje grupp.
Referensnederbörden beräknades som ett viktat medelvärde för de tre nederbördsmätarna i form av en tidsserie av 1-minutsvärden. Beräknad nederbörd från MWL jämfördes med referensdata med hjälp av två statistiska mått, Nash-Sutcliffes index FNS, som är ett mått på överensstämmelsen mellan två dataserier, och det relativa felet i ackumulerad nederbörd (Ve). Ve, kan variera från -1 till oändligheten medan FNS kan variera från – oändligheten till 1, där 1 innebär en perfekt överensstämmelse och 0 att modellen uppskattar nederbörd lika bra som medelvärdet av observationerna. Ett negativt index innebär att observerat medelvärde är bättre än modellen.
Ve och FNS beräknades även för enskilda regnmätare, eftersom det användes fler nederbördsmätare i studien jämfört med normal praxis.
Resultat
Generellt framgick av studien att nederbördens dynamik i tid och rum i mikroskala kan fångas av MWL på ett bra sätt och MWL fungerar bättre än enskilda nederbördsmätare särskilt vid kraftig nederbörd. Layouten påverkade noggrannheten av uppskattad nederbörd även om noggrannheten huvudsakligen bestämdes av precisionen av varje MWL i fråga. Uppskattningen av ackumulerad nederbörd var i det närmaste oberoende av topologin åtminstone i ett längre tidsperspektiv.
FNS, som avspeglar nederbördens dynamik i ett kort tidsperspektiv, varierade mellan -1,80 och +0,69 för enskilda MWL. Det relativa felet för ackumulerad nederbörd (Ve) låg mellan -23 och + 103 %. Kännetecknande för de sämst fungerande MWL var att de hade en kort sträcka (<1 km), vilket ger en mindre känslighet vid låg nederbördsintensitet.
Layouter med flera MWL visade relativt stabilt utfall och fångade nederbördens dynamik i tid och rum, där den sämst fungerande layouten fungerade bättre än den sämsta nederbördsmätaren och där den bäst fungerade layouten med fem MWL fungerade bättre (FNS 0,69) än den bäst fungerande nederbördsmätaren. Layouter med fler än 5 MWL förbättrade inte resultatet.
Layouter med flera MWL gav ökade värden på Ve, vilket dock inte behövde bero på dålig kvalitet på data. Eftersom nästan alla MWL överskattade den totala nederbörden kunde de inte kompensera för denna avvikelse i statistiken. MWL fungerade däremot stabilt vid utvärdering av intensiva konvektiva regnhändelser medan nederbördsmätarna inte kunde fånga de stora variationerna i tid och rum lika bra.
I studien användes enkla metoder för att uppskatta nederbörden och modellen kalibrerades inte. Mera avancerade metoder för identifiering av baslinje och bestämning av effekten av våta antenner liksom kalibrering av modellen skulle sannolikt kunna förbättra resultatet något.
Slutsatser
Studien visade att
- Användning av mikrovågslänkar för uppskattning av nederbörd (MWL) kan utgöra ett bra komplement till enskilda nederbördsmätare för modellering av urban hydrologi
- en kvantitativ uppskattning av nederbörd påverkas av mikrovågslänkens kvalitet och precision och valet av MWL är viktigt
- enskilda MWL kan fånga nederbörden bra då längden av MWL överensstämmer med avrinningsområdets längdskala och rumsskalan för regncellerna
- även om nederbördsvolymen överskattas med MWL utan kalibrering fångas variationerna i tid och rum mycket bra särskilt vid intensiv nederbörd
Källa: M. Fencl, J. Rieckermann, P. Sýkora, D. Stránský, V. Bares. Commercial microwave links instead of rain gauges: fiction or reality? Water Science & Technology 71.1 (2015) pp 31 – 37.
