Parameter estimation and uncertainty assessment in hydrological modelling

Roberta-Serena Blasone

Research output: Book/ReportPh.D. thesisResearch

314 Downloads (Pure)

Abstract

En rationel og effektiv vandressourceadministration forudsætter indsigt i og forståelse af de hydrologiske processer samt præcise opgørelser af de tilgængelige vandmængder i både overfladevands- og grundvandsmagasiner. Til det formål er hydrologiske modeller et uomgængeligt værktøj. I de senest 10-20 år er der forsket meget i hydrologiske processer og især i implementeringen af denne viden i numeriske modelsystemer. Dette har ledt til modeller af stigende kompleksitet. Samtidig er en række forskellige teknikker til at estimere modelparametre og til at skønne usikkerheden på modelprædiktioner udviklet og afprøvet på forskelligartede problemstillinger. Omfattende studier er blevet gennemført med disse teknikker ved brug af simple, områdeintegrerede nedbør­afstrømningsmodeller, hvorimod anvendelsen på mere komplekse, distribuerede og integrerede modelsystemer har været mere sparsom. Grunden hertil har været de lange beregningstider og omfattende datakrav, der karakteriserer denne type modeller, og som udgør et stort problem ved rekursiv anvendelse af modellerne. Dertil kommer, at de komplekse modeller sædvanligvis ikke er frit tilgængelige på samme måde som de simple nedbør-afstrømningsmodeller. Hovedsigtet med afhandlingen er at tilføje mere viden og videreudvikle teknikker til parameterestimering og usikkerhedsberegning med fokus på distribuerede, integrerede og fysisk-baserede hydrologiske modeller. I afhandlingens første del præsenteres forskningsområdet bredt. Der gives en introduktion til hydrologisk modellering, modelopsætning og parameterisering, kalibrering og validering samt usikkerhedsberegning. Den anden del af afhandlingen besår af tre forskningsartikler, som udgør det egentlige videnskabelige resultat af ph.d.-studiet. Artikel 1 undersøger og sammenligner anvendeligheden af henholdsvis en lokal og en global optimeringsteknik til estimering af parametre i modeller af stigende kompleksitet. De opnåede resultater har ledt til en metode, som kan kombinere styrkerne af de to metoder, der begge er hyppigt anvendt, således at en mere effektiv kalibrering kan opnås for komplekse modeller. Artikel 2 introducerer en modifikation til én af de mest hyppigt anvendte metoder til kalibrering af hydrologiske modeller, der kan forøge effektiviteten af kalibreringen betydeligt. Den reviderede procedure er afprøvet på simple nedbør-afstrømningsmodeller, men det antages, at den i endnu højere grad vil få betydning for kalibrering af komplekse modeller. Artikel 3 er en afprøvning af denne antagelse på en distribueret, integreret og fysisk-baseret model, og det er i artiklen beskrevet, hvorledes en systematisk og omfattende parameterisering, kalibrering, validering og usikkerhedsanalyse kan implementeres i komplekse modeller.
Original languageEnglish
Place of PublicationKgs. Lyngby
PublisherDTU Environment
Number of pages55
ISBN (Print)9788791855320
Publication statusPublished - Aug 2007

Cite this

Blasone, R-S. (2007). Parameter estimation and uncertainty assessment in hydrological modelling. Kgs. Lyngby: DTU Environment.
Blasone, Roberta-Serena. / Parameter estimation and uncertainty assessment in hydrological modelling. Kgs. Lyngby : DTU Environment, 2007. 55 p.
@phdthesis{40a6f79d440644b3aa5f9e0bce9096ab,
title = "Parameter estimation and uncertainty assessment in hydrological modelling",
abstract = "En rationel og effektiv vandressourceadministration foruds{\ae}tter indsigt i og forst{\aa}else af de hydrologiske processer samt pr{\ae}cise opg{\o}relser af de tilg{\ae}ngelige vandm{\ae}ngder i b{\aa}de overfladevands- og grundvandsmagasiner. Til det form{\aa}l er hydrologiske modeller et uomg{\ae}ngeligt v{\ae}rkt{\o}j. I de senest 10-20 {\aa}r er der forsket meget i hydrologiske processer og is{\ae}r i implementeringen af denne viden i numeriske modelsystemer. Dette har ledt til modeller af stigende kompleksitet. Samtidig er en r{\ae}kke forskellige teknikker til at estimere modelparametre og til at sk{\o}nne usikkerheden p{\aa} modelpr{\ae}diktioner udviklet og afpr{\o}vet p{\aa} forskelligartede problemstillinger. Omfattende studier er blevet gennemf{\o}rt med disse teknikker ved brug af simple, omr{\aa}deintegrerede nedb{\o}r­afstr{\o}mningsmodeller, hvorimod anvendelsen p{\aa} mere komplekse, distribuerede og integrerede modelsystemer har v{\ae}ret mere sparsom. Grunden hertil har v{\ae}ret de lange beregningstider og omfattende datakrav, der karakteriserer denne type modeller, og som udg{\o}r et stort problem ved rekursiv anvendelse af modellerne. Dertil kommer, at de komplekse modeller s{\ae}dvanligvis ikke er frit tilg{\ae}ngelige p{\aa} samme m{\aa}de som de simple nedb{\o}r-afstr{\o}mningsmodeller. Hovedsigtet med afhandlingen er at tilf{\o}je mere viden og videreudvikle teknikker til parameterestimering og usikkerhedsberegning med fokus p{\aa} distribuerede, integrerede og fysisk-baserede hydrologiske modeller. I afhandlingens f{\o}rste del pr{\ae}senteres forskningsomr{\aa}det bredt. Der gives en introduktion til hydrologisk modellering, modelops{\ae}tning og parameterisering, kalibrering og validering samt usikkerhedsberegning. Den anden del af afhandlingen bes{\aa}r af tre forskningsartikler, som udg{\o}r det egentlige videnskabelige resultat af ph.d.-studiet. Artikel 1 unders{\o}ger og sammenligner anvendeligheden af henholdsvis en lokal og en global optimeringsteknik til estimering af parametre i modeller af stigende kompleksitet. De opn{\aa}ede resultater har ledt til en metode, som kan kombinere styrkerne af de to metoder, der begge er hyppigt anvendt, s{\aa}ledes at en mere effektiv kalibrering kan opn{\aa}s for komplekse modeller. Artikel 2 introducerer en modifikation til {\'e}n af de mest hyppigt anvendte metoder til kalibrering af hydrologiske modeller, der kan for{\o}ge effektiviteten af kalibreringen betydeligt. Den reviderede procedure er afpr{\o}vet p{\aa} simple nedb{\o}r-afstr{\o}mningsmodeller, men det antages, at den i endnu h{\o}jere grad vil f{\aa} betydning for kalibrering af komplekse modeller. Artikel 3 er en afpr{\o}vning af denne antagelse p{\aa} en distribueret, integreret og fysisk-baseret model, og det er i artiklen beskrevet, hvorledes en systematisk og omfattende parameterisering, kalibrering, validering og usikkerhedsanalyse kan implementeres i komplekse modeller.",
author = "Roberta-Serena Blasone",
year = "2007",
month = "8",
language = "English",
isbn = "9788791855320",
publisher = "DTU Environment",

}

Blasone, R-S 2007, Parameter estimation and uncertainty assessment in hydrological modelling. DTU Environment, Kgs. Lyngby.

Parameter estimation and uncertainty assessment in hydrological modelling. / Blasone, Roberta-Serena.

Kgs. Lyngby : DTU Environment, 2007. 55 p.

Research output: Book/ReportPh.D. thesisResearch

TY - BOOK

T1 - Parameter estimation and uncertainty assessment in hydrological modelling

AU - Blasone, Roberta-Serena

PY - 2007/8

Y1 - 2007/8

N2 - En rationel og effektiv vandressourceadministration forudsætter indsigt i og forståelse af de hydrologiske processer samt præcise opgørelser af de tilgængelige vandmængder i både overfladevands- og grundvandsmagasiner. Til det formål er hydrologiske modeller et uomgængeligt værktøj. I de senest 10-20 år er der forsket meget i hydrologiske processer og især i implementeringen af denne viden i numeriske modelsystemer. Dette har ledt til modeller af stigende kompleksitet. Samtidig er en række forskellige teknikker til at estimere modelparametre og til at skønne usikkerheden på modelprædiktioner udviklet og afprøvet på forskelligartede problemstillinger. Omfattende studier er blevet gennemført med disse teknikker ved brug af simple, områdeintegrerede nedbør­afstrømningsmodeller, hvorimod anvendelsen på mere komplekse, distribuerede og integrerede modelsystemer har været mere sparsom. Grunden hertil har været de lange beregningstider og omfattende datakrav, der karakteriserer denne type modeller, og som udgør et stort problem ved rekursiv anvendelse af modellerne. Dertil kommer, at de komplekse modeller sædvanligvis ikke er frit tilgængelige på samme måde som de simple nedbør-afstrømningsmodeller. Hovedsigtet med afhandlingen er at tilføje mere viden og videreudvikle teknikker til parameterestimering og usikkerhedsberegning med fokus på distribuerede, integrerede og fysisk-baserede hydrologiske modeller. I afhandlingens første del præsenteres forskningsområdet bredt. Der gives en introduktion til hydrologisk modellering, modelopsætning og parameterisering, kalibrering og validering samt usikkerhedsberegning. Den anden del af afhandlingen besår af tre forskningsartikler, som udgør det egentlige videnskabelige resultat af ph.d.-studiet. Artikel 1 undersøger og sammenligner anvendeligheden af henholdsvis en lokal og en global optimeringsteknik til estimering af parametre i modeller af stigende kompleksitet. De opnåede resultater har ledt til en metode, som kan kombinere styrkerne af de to metoder, der begge er hyppigt anvendt, således at en mere effektiv kalibrering kan opnås for komplekse modeller. Artikel 2 introducerer en modifikation til én af de mest hyppigt anvendte metoder til kalibrering af hydrologiske modeller, der kan forøge effektiviteten af kalibreringen betydeligt. Den reviderede procedure er afprøvet på simple nedbør-afstrømningsmodeller, men det antages, at den i endnu højere grad vil få betydning for kalibrering af komplekse modeller. Artikel 3 er en afprøvning af denne antagelse på en distribueret, integreret og fysisk-baseret model, og det er i artiklen beskrevet, hvorledes en systematisk og omfattende parameterisering, kalibrering, validering og usikkerhedsanalyse kan implementeres i komplekse modeller.

AB - En rationel og effektiv vandressourceadministration forudsætter indsigt i og forståelse af de hydrologiske processer samt præcise opgørelser af de tilgængelige vandmængder i både overfladevands- og grundvandsmagasiner. Til det formål er hydrologiske modeller et uomgængeligt værktøj. I de senest 10-20 år er der forsket meget i hydrologiske processer og især i implementeringen af denne viden i numeriske modelsystemer. Dette har ledt til modeller af stigende kompleksitet. Samtidig er en række forskellige teknikker til at estimere modelparametre og til at skønne usikkerheden på modelprædiktioner udviklet og afprøvet på forskelligartede problemstillinger. Omfattende studier er blevet gennemført med disse teknikker ved brug af simple, områdeintegrerede nedbør­afstrømningsmodeller, hvorimod anvendelsen på mere komplekse, distribuerede og integrerede modelsystemer har været mere sparsom. Grunden hertil har været de lange beregningstider og omfattende datakrav, der karakteriserer denne type modeller, og som udgør et stort problem ved rekursiv anvendelse af modellerne. Dertil kommer, at de komplekse modeller sædvanligvis ikke er frit tilgængelige på samme måde som de simple nedbør-afstrømningsmodeller. Hovedsigtet med afhandlingen er at tilføje mere viden og videreudvikle teknikker til parameterestimering og usikkerhedsberegning med fokus på distribuerede, integrerede og fysisk-baserede hydrologiske modeller. I afhandlingens første del præsenteres forskningsområdet bredt. Der gives en introduktion til hydrologisk modellering, modelopsætning og parameterisering, kalibrering og validering samt usikkerhedsberegning. Den anden del af afhandlingen besår af tre forskningsartikler, som udgør det egentlige videnskabelige resultat af ph.d.-studiet. Artikel 1 undersøger og sammenligner anvendeligheden af henholdsvis en lokal og en global optimeringsteknik til estimering af parametre i modeller af stigende kompleksitet. De opnåede resultater har ledt til en metode, som kan kombinere styrkerne af de to metoder, der begge er hyppigt anvendt, således at en mere effektiv kalibrering kan opnås for komplekse modeller. Artikel 2 introducerer en modifikation til én af de mest hyppigt anvendte metoder til kalibrering af hydrologiske modeller, der kan forøge effektiviteten af kalibreringen betydeligt. Den reviderede procedure er afprøvet på simple nedbør-afstrømningsmodeller, men det antages, at den i endnu højere grad vil få betydning for kalibrering af komplekse modeller. Artikel 3 er en afprøvning af denne antagelse på en distribueret, integreret og fysisk-baseret model, og det er i artiklen beskrevet, hvorledes en systematisk og omfattende parameterisering, kalibrering, validering og usikkerhedsanalyse kan implementeres i komplekse modeller.

M3 - Ph.D. thesis

SN - 9788791855320

BT - Parameter estimation and uncertainty assessment in hydrological modelling

PB - DTU Environment

CY - Kgs. Lyngby

ER -

Blasone R-S. Parameter estimation and uncertainty assessment in hydrological modelling. Kgs. Lyngby: DTU Environment, 2007. 55 p.