Neerslagsschatting uit weerradar waarnemingen : statistische analyse van onweer en extreme regen

Dit doctoraatsonderzoek had als doel om de waarnemingen en statistische analyse van neerslag verder te verbeteren. Het belang van goede neerslagdata kan niet onderschat worden, gezien het grote socio-economische belang die weersverschijnselen geassocieerd met neerslag hebben en dit over een breed scala van temporele en ruimtelijke schalen. De studie van neerslag in België, die op heden hoofdzakelijk gebaseerd is op pluviometer- en pluviograafmetingen, kunnen nu profiteren van meer dan 10 jaar weerradardata. Radars leveren waarnemingen met hoge resolutie. Deze zijn nodig om convectieve regenbuien te bestuderen en als basis voor de verificatie van weer- en klimaatmodellen. Nauwkeurige lokale neerslagschattingen zijn ook nodig voor overstromingsrisicoanalyse – en beheer, zowel op de stroomgebiedsschaal als voor toepassingen inzake stedelijke hydrologie. Helaas zijn neerslaggegevens op basis van radars nog niet veel gebruikt voor zulke toepassingen vanwege de radarmeetfouten en de onzekerheden geassocieerd met de afgeleide schatting van neerslagintensiteiten uit de radarsignalen.

Voor dit doctoraatsonderzoek werden de gearchiveerde waarnemingen van de C-band weerradar in Wideumont over de langst beschikbare meetperiode gebruikt om de kennis m.b.t. neerslag in België en vooral van de convectieve en extreme buien te verbeteren. Verschillende methodes voor het combineren van de radarneerslagschattingen met pluviograafmetingen werden geëvalueerd. De kenmerken van convectieve neerslagcellen werden geanalyseerd op basis van hun identificatie en tracking in de volumereflectiviteitsgegevens. De reflectiviteitsmetingen werden verwerkt om voldoende kwaliteit te garanderen en een beste kwantitatieve neerslagschatting te bekomen. De radar-gebaseerde schatting van de neerslag werd geverifieerd door vergelijking met onafhankelijke neerslagwaarnemingen van pluviografen en via ruimtelijke kaarten van beschrijvende statistieken. Verder werd het potentieel van de radarneerslagschattingen onderzocht voor het bestuderen van lokale extreme regenval en dit in vergelijking met een pluviograaf-gebaseerde analyse. Er werd een nieuwe regionale methode ontwikkeld die bovendien voldoende eenvoudig en robuust kan toegepast worden. Bovendien zijn er inspanningen geleverd om de hoge kwaliteit van de software-implementatie te waarborgen.

Een eenvoudige correctie van de systematische afwijking t.o.v. pluviograafmetingen verhoogde de nauwkeurigheid van de radarneerslagschattingen al aanzienlijk. Een verdere toename van de kwaliteit werd bekomen door gebruik van ruimtelijke interpolatie. Er werd vastgesteld dat lokale convectieve buien zich gemiddeld 6 uur per jaar voordoen zonder significante ruimtelijke variaties. Voor bepaalde kenmerken van de convectie activiteit werden indices afgeleid zoals voor het aantal buien, de gebiedsdekking, de totale buimassa en individuele buieigenschappen zoals het volume, de massa, de tophoogte, de duur, de snelheid. Deze kansverdelingen van deze indices blijken typisch een machtsverband te vertonen met significante dagelijkse, maandelijkse en jaarlijkse variaties. De neerslagschatting kon aanzienlijk verbeterd worden door rekening te houden met het verticale profiel van de reflectiviteit. Het nieuwe algoritme zorgde voor een toename van 50% in de ruimtelijke dekkingsgraad in vergelijking met een basisalgoritme. Radar-artefacten werden aanzienlijk verminderd door het verwijderen van niet-meteorologische echo’s en hageldrempel. Schattingsfouten en de beschikbare set aan buien verklaren de kleine verschillen tussen de radar- en pluviograaf-gebaseerde neerslagschattingen voor de 1-uur extreme neerslagintensiteiten. Met behulp van regressie in kwantiel-kwantiel plots en het gebruik van een exponentieel model voor de extreme-waarden-verdeling bleken beide datasets redelijk consistent. De nieuwe regionale analyse op de radarextremen liet toe om extreme-waarden-schattingen van neerslagintensiteiten aanzienlijk te verbeteren t.o.v. deze afgeleid op basis van lange reeksen van pluviograafmetingen.

Zowel de beschikbaarheid als de kwaliteit van de neerslagobservaties zijn fundamenteel om tot robuuste schattingen te komen. De statistische resultaten kunnen eenvoudig worden uitgebreid met behulp van andere radars en voor langere meetperiodes. De kwantitatieve neerslagschattingen zoals afgeleid in dit onderzoek werden recent reeds gebruikt voor tal van toepassingen, zoals de verificatie van een weermodel en als invoer voor hydrologische toepassingen. Informatie m.b.t. de schattingsonzekerheden is belangrijk voor heel wat toepassingen, maar werd niet behandeld in dit proefschrift. Ook de studie van gebiedsneerslagextremen vormt een verdere uitbreiding van het onderzoek. Verder blijken de radar-gebaseerde neerslagschattingen veelbelovend om als basis te gebruiken voor overstromingsrisicobeheer en voor tal van andere toepassingen in het domein van het waterbeheer en de waterbouwkunde.