Development and implementation of a methodological framework for early warning of intense floods using innovative technologies

Abstract

This Ph.D. dissertation focuses on developing a methodological framework for early warning of intense floods using new technologies centered around data from an X-Band weather radar system, the rainscanner, in Athens, Greece. The research is divided into two sections. The first focuses on various aspects of meteorological radar technology, including types, error sources, and quality control processes. A comprehensive methodology involving clutter filters and cross-correlation with rain gauge data is proposed and applied. Additionally, the research focuses on the Z-R relationship, which converts the radar-measured reflectivity (Z) to rainfall intensity (R). The variability of this relationship over time and space is analyzed through the correlation of radar data with ground-based rain gauges, highlighting the correlation of Z-R parameters with topographic features such as proximity to the coastline and altitude. The second section focuses on assessing flood risk within a Flood Early Warning System (FEWS) framework, focusing on flash flood events characterized by high-intensity rainfall, short duration, and small spatial scale. The proposed FEWS is a gridded implementation of the Flash Flood Guidance system, the Gridded Flash Flood Guidance (GFFG), which emphasizes the integration of hydrological and hydrometeorological processes to assess flood risk in finding temporal and spatial scale. Specifically, the system compares forecasted rainfall with rainfall thresholds derived by assessing the soil moisture conditions and the runoff threshold in gridded format through a developed gridded rainfall-runoff model. The application of the system on historical events that occurred in the Attica region is used to assess the impact of parameter values on the models used, emphasizing that, despite uncertainties, the most critical parameter for improving FFEWS reliability is the accuracy of input data, especially rainfall and soil moisture conditions. Finally, a storm-tracking algorithm is developed to identify and track storm cells, used to examine the main directions of storms in Athens. The application of the algorithm highlights the multiple benefits of using high spatiotemporal resolution meteorological radar in nowcasting and forecasting systems. The research proposes a comprehensive and robust framework for utilizing radar data in FEWS by emphasizing quality control and adaptable methodologies for assessing flood risk in real-time changing conditions. It enhances prediction and mitigation strategies for flood impacts, especially in urban and semi-urban areas vulnerable to intense rainfall and flash floods.

Η παρούσα Διδακτορική Διατριβή (Δ.Δ) επικεντρώνεται στην ανάπτυξη και εφαρμογή ενός μεθοδολογικού πλαισίου για την έγκαιρη προειδοποίηση ισχυρών καταιγίδων και πλημμυρών χρησιμοποιώντας νέες τεχνολογίες και συγκεκριμένα δεδομένα από ένα μετεωρολογικό ραντάρ, τύπου X-Band, το Rainscanner, του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου (ΕΜΠ) στο δήμο Ζωγράφου. Η έρευνα αποτελείται από δύο κύριες ενότητες. Η πρώτη ενότητα εξετάζει τις διάφορες πτυχές της τεχνολογίας των μετεωρολογικών ραντάρ, συμπεριλαμβανομένων των τύπων, των πηγών σφαλμάτων και των διαδικασιών ελέγχου ποιότητας. Αναπτύσσεται μία ολοκληρωμένη προσέγγιση ελέγχου ποιότητας η οποία περιλαμβάνει φίλτρα διόρθωσης του σήματος ραντάρ, κατάλληλη προσαρμογή των δεδομένων σε επιθυμητές χωροχρονικές κλίμακες. Επιπλέον, επικεντρώνεται στη σχέση Z-R, που χρησιμοποιείται για την μετατροπή της μετρούμενης ανακλαστικότητας (Z) του ραντάρ σε ένταση βροχόπτωσης (R), και αναλύεται η μεταβλητότητά της στο χρόνο και στο χώρο, μέσω της συσχέτισης των δεδομένων ραντάρ με επίγειους βροχογράφους, αναδεικνύοντας τη συσχέτιση των παραμέτρων της σχέσης Z-R με τοπογραφικά χαρακτηριστικά, όπως η εγγύτητα στην ακτογραμμή και το υψόμετρο. Η δεύτερη ενότητα επικεντρώνεται στην εκτίμηση πλημμυρικού κινδύνου στο πλαίσιο εφαρμογής ενός Σύστηματος Έγκαιρης Προειδοποίησης Πλημμυρών (ΣΕΠΠ) που εστιάζει σε επεισόδια αιφνίδιων πλημμυρών, τα οποία χαρακτηρίζονται από μεγάλης έντασης βροχής, μικρής διάρκειας και μικρής χωρικής κλίμακας. Συγκεκριμένα, αναπτύσσεται ένα ολοκληρωμένο πλαίσιο εφαρμογής ενός ΣΕΠΠ, εστιάζοντας στην ενσωμάτωση υδρολογικών διαδικασιών για την εκτίμηση του πλημμυρικού κινδύνου. Αυτή η προσέγγιση λαμβάνει υπόψη μεταβαλλόμενους παράγοντες σε πραγματικό χρόνο, όπως οι συνθήκες υγρασίας του εδάφους και η υδρομετεωρολογική κατάσταση που επικρατεί στην περιοχή εφαρμογής. Ειδικότερα, αναπτύσσεται και εφαρμόζεται ένα υδρολογικό κατανεμημένο μοντέλο βροχής-απορροής το οποίο υποβοηθάει το σύστημα Gridded Flash Flood Guidance (GFFG) για την αξιολόγηση του κινδύνου πλημμύρας σε επίπεδο κελιού υψηλής ανάλυσης. Τα αποτελέσματα διερευνούν και αναδεικνύουν την επίδραση των τιμών των παραμέτρων στα χρησιμοποιούμενα μοντέλα, και επισημαίνουν ότι, παρά την ύπαρξη αβεβαιότητας, η πιο κρίσιμη παράμετρος για την βελτίωση της αξιοπιστίας ενός ΣΕΠΠ είναι η αξιοπιστία των δεδομένων εισόδου του και κυρίως αυτά της βροχόπτωσης και του επιπέδου υγρασίας του εδάφους. Τέλος, αναπτύσσεται και εφαρμόζεται ένας αλγόριθμος ανίχνευσης και παρακολούθησης των καταιγιδοφόρων νεφών, μέσω του οποίου μελετώνται οι κύριες διευθύνσεις των νεφών. Η εφαρμογή του αλγορίθμου αναδεικνύει τα πολλαπλά οφέλη της χρήσης ενός μετεωρολογικού ραντάρ υψηλής χωροχρονικής ανάλυσης, σε συστήματα υδρομετεωρολογικής πρόγνωσης. Η Δ.Δ. προτείνει ένα ολοκληρωμένο πλαίσιο για τη χρήση δεδομένων ραντάρ με σκοπό την εκτίμηση του πλημμυρικού κινδύνου και την έγκαιρη προειδοποίηση πλημμυρών και συμβάλλει στην ενίσχυση των στρατηγικών πρόβλεψης και μείωσης των επιπτώσεων των πλημμυρών, ιδίως σε αστικές και ημιαστικές περιοχές που είναι ευάλωτες σε έντονες βροχοπτώσεις και αιφνίδιες πλημμύρες.