Precipitation, Soil Moisture, Snow, and         Flash Flood Guidance Components

HYDROLOGIC RESEARCH CENTER

6 May 2015

SRTM 90‐m DEM GRASS GIS software Minimum headwater stream size threshold defines basin size:targeted average area of ~150km2

GIS processing of digital elevation data to delineate small flash flood watershed areas and determine basins characteristics (A, L, S)

Flash Flood Basin Delineation

6 May 2015 HRC CARFFG 2

BSMEFFG Basin Delineation

Multiple processing windows Large rivers omitted/treated as “sink” Major lakes and evaporative pans Statistics with high resolution basins A total of nearly 16,000 basins

A total of nearly 11,000 basins in Turkey Average subcatchment basin area: 

~= 250 km2 (outside of Turkey)~=   65 km2 (inside of Turkey)

6 May 2015 HRC CARFFG 3

Rainfall Data Processing

Quality ControlMerging

Bias Adjustment

Real-time Precipitation Inputs

Satellite RainfallRadar (as available)Gauge (as available)

Temperature

Evapotranspiration(Climatological)

Spatial GIS Data Analyses

Basin DelineationParameter Estimation(Terrain, LULC, soils,

streams)

Snow Model

Soil Moisture

Model

Threshold Runoff Model

Flash Flood Guidance Model

Flash Flood

Guidance

Flash Flood Threat

Rainfall Forecasts

(Mesoscale Model)Forecaster Input

4

Key Technical Components for the FFG System 

Snow Cover

6 May 2015 HRC CARFFG

6 May 2015 HRC CARFFG 5

6 May 2015 HRC CARFFG 6

Satellite Rainfall ‐ Hydroestimator

• IR based (10.7 m)• Short latency

Rain Rate = Function of brightness temperature

Enhanced for:1. Atmospheric moisture effects2. Orography (upslope/downslope)3. Convective Eqlb. Level (warm‐top convection)4. Local pixel T difference with surroundings5. Convective core/no‐core region

REGION

6 May 2015 HRC CARFFG 7

Bias and Log‐Bias Factors

1

1

( , )

( , )

g

g

N

gj

t N

sj

R t jn

R t j

Bias (B)

Raingauge 1

Sat Pixel 1

Raingauge 2

Sat Pixel 2 Raingauge J

Sat Pixel J

Log‐Bias

6 May 2015 HRC CARFFG 8

Climatological Adjustment Using Gauges and Corresponding Satellite Pixel Data

• Historical Data for regions of uniform hydroclimatology, terrain and gauge density• Usually done for an given month or season• Result is bias factor for each region and month/seasonBias Factor computed from:

(1) Mean values(2) Probability matching considerations

HRC CARFFG 9

Dynamic Bias Adjustment Basics

1 1t t tw

1 1 1t t tz v

1

1

( , )

( , )

g

g

N

gj

t N

sj

R t jn

R t j

Kalman Filter Stochastic Approximations

• N pairs of consecutive values• At least 20% raingauges with rain• Conditional Mean > Threshold (mm/h) (satellite/radar and gauge)

Bias (B)

6 May 2015

Important issue:Gauge data quality control

Multi‐Spectral Satellite Rainfall

6 May 2015 HRC CARFFG 10

New global FFGS product combines IR‐based HE rainfall with MW‐based CMORPH rainfall

HE CMORPH

IR – Based30‐min latency in operationsBased on measurements of topcloud brightness temperature

MW – Based18‐26 hour latency in operationsBased on measurements of microwave scattering from raindrops

Multi‐Spectral Satellite Rainfall for FFG Systems

6 May 2015 HRC CARFFG 11

IR Rain

CMORPH Rain

IR Rain IR Rain

Raingauge Rain

Raingauge Rain

IRA(t‐n) B(t‐2) B(t‐1)

IR Rain

Raingauge Rain

B(t)IR Rain

CMORPHRain

IRA(t‐n‐1) …..

Raingauge Rain

Raingauge Rain

…..

Window of 3 days

CMORPH Latency

f f fIRA IRA IRA

Examples from BSMEFFG

6 May 2015 HRC CARFFG 12

Original GHE Adjusted GHE

Rainfall Data Processing

Quality ControlMerging

Bias Adjustment

Real-time Precipitation Inputs

Satellite RainfallRadar (as available)Gauge (as available)

Temperature

Evapotranspiration(Climatological)

Spatial GIS Data Analyses

Basin DelineationParameter Estimation(Terrain, LULC, soils,

streams)

Snow Model

Soil Moisture

Model

Threshold Runoff Model

Flash Flood Guidance Model

Flash Flood

Guidance

Flash Flood Threat

Rainfall Forecasts

(Mesoscale Model)Forecaster Input

13

Key Technical Components for the FFG System 

Snow Cover

6 May 2015 HRC CARFFG

6 May 2015 HRC CARFFG 14

Soil Water Index Model: Combined Runoff ‐Sacramento Model Adaptation

6 May 2015 15HRC CARFFG

Soil water index model:          ‐ Saturation excess runoff‐ Infiltration excess runoff‐ Combined runoff

Soil Water: Depth Integrated Soil Moisture

On Site Soil Water Deficit Validation

6 May 2015 HRC CARFFG 16

Westville, OK Site

HRC-DHM Closest Sub-Basin Average

Illinois River (Semi-Arid US)

Reasonably good reproduction of depth-integrated soil water deficit

17

Average Soil Moisture (Water)

6 May 2015 17

ASM = (XT + XF) / (XTo + XFo)HRC CARFFG

Soil Texture (FAO)

Soil Depth(FAO)

6 May 2015 HRC CARFFG 18

A priori parameter estimation 

INTERFLOWSURFACERUNOFF

INFILTRATIONTENSION

TENSION TENSION

PERCOLATION

LOWERZONE

UPPERZONE

PRIMARYFREE

SUPPLE-MENTAL

FREE

RESERVED RESERVED

FREE

EVAPOTRANSPIRATION

BASEFLOW

SUBSURFACEOUTFLOW

DIRECTRUNOFF

Precipitation

6 May 2015 HRC CARFFG 19

6 May 2015 HRC CARFFG 20

GTOPO ‐ Topography 

6 May 2015 HRC CARFFG 21

22

Jensen‐Haise: PET ‐ Radiation based method with 2 parameters

Pertinent Refernces:Jensen & Haise 1963McGuinness & Bordne 1973 Oudin et al 2005 j. Hydrology:

For basin scale hydrologic models, PET procedures that are based on extraterrestrial radiation and climatic surface temperature outperform complex models (e.g., Penman). 

Potential Evaporation in a given location (mm/day):PE  =  [Re Ta +K2 ]/ K1(λ p)  for Ta > K2

• Re ‐ Daily potential Incoming extraterrestrial radiation  (Mj m‐2 d‐1); • f{latitude, Julian date)

• Ta‐ Long term daily averages of surface temperature (minT+maxT)/2• f{Julian date, elevation)

• K1 (°C) – minimum temperature in which below PE=0 (~5)• K2 (°C) – scale parameter (75‐130) • λ – Latent heat flux (Mj kg‐1)• p ‐ density of water (kg m‐1)

6 May 2015 HRC CARFFG

Kazakhstan Land Cover Map 

6 May 2015 HRC CARFFG 23

PET Climatological Estimate

6 May 2015 HRC CARFFG 24

6 May 2015 HRC CARFFG 25

Snow Modeling

Energy Balance for Snow Cover

Qn + Qe + Qh +Qg + Qm = Q

where  Qn = net radiation (solar – longwave) Qe = latent heat transferQh = sensible heat transferQg = heat transfer at snow‐soil interfaceQm = heat transfer by mass changes 

(e.g. advected by rain)Q = change in heat storage of snow cover 

Ground

Snow Cover

QmQn Qh Qe

Qg

=f (Qsw, Qlw, A,To)=f (eo, ua)=f (To, Ta,ua)=f (Tg,Ts)=f (p)

Energy Balance solution is data intensive!6 May 2015 HRC CARFFG 26

Snow Model ‐ Snow 17  

Snow Accumulation and Ablation Model (SNOW‐17) of the U.S. NWS (Anderson, 1973) 

Designed to use readily available operational data 

A conceptual areal lumped energy and mass balance model

Air Temperature used as an index for pack energy and division of precipitation as rain or snow

Considers: melt during no rain; melt during rain; no melt

Model states track: snow water equivalent (SWE), heat deficit, pack temperature, liquid content.

• Single vertical layer • Three modules:• Melt during rain• Melt during no rain• Heat accounting during no melt 

Describe the snow cover extent using the Snow Depletion Curve6 May 2015 HRC CARFFG 27

Data Requirements• Surface Air Temperature

– Index for the pack energy balance and determine the form of precipitation (rain or snow)

• Precipitation

– determine amount of snowfall and amount of rain‐on‐snow (PXTEMP)

– SCF ‐Multiplying factor that adjusts precipitation data for gage catch deficiencies during periods of snowfall

• Other Data (when available) 

– Snowfall

– Snow course and/or snow sensors (water‐equivalent)

– Areal extent of snow cover (satellite) 

6 May 2015 HRC CARFFG 28

Satellite Snow Covered Area

Interactive Multisensor Snow and Ice Mapping System (IMS), made available through National Snow and Ice Data Center, NOAA.http://nsidc.org/data/docs/noaa/g02156_ims_snow_ice_analysis/index.html

Daily (23:00 GMT) snow cover based on summary of multiple satellites at 4km x 4km resolution.  Geostationary  satellites  Polar orbiter: MODIS, AVHRR & Microwave Assisted by modeling , climatological maps, and personnel expertise  

Generally available within 1 day (often within several hours) following date of observation

4km product is Operational since 2006

Helfrich et al., 2007 Hydrological Processes

6 May 2015 HRC CARFFG 29

Based on fraction of snow covered area in each subbasin

Aportion the rain  for the uncovered areas

Soil‐snow interface leakage at the snow cover areas 

Rain for the FFT calculations is portioned to the uncovered areas 

Use of Snow Cover in BSME  

Sub‐Basin Snow Cover Area Fraction

6 May 2015 HRC CARFFG 30

Outlook 2012 Outlook 2013

Comparison between April outlook for 2012 and 2013 

6 May 2015 HRC CARFFG 31

Time Series from Specific Basins 

6 May 2015 HRC CARFFG 32

MODIS/LST for Surface Temperature[NASA funded Research]

6 May 2015 HRC CARFFG 33

6 May 2015 HRC CARFFG 34

MODIS/Terra 8day LST vs. SCA 2000‐2014

6 May 2015 HRC CARFFG 35

Following Carpenter et al (1999), under a linear response of basins to rainfall excess, threshold runoff may be calculated under the following equality:

Qp = qpR R A (1)

Qp is the flow associated with flooding flow (cms)

qpR is the peak of the unit hydrograph of duration tR, normalized by catchment area (cms/km2/mm)

A is the catchment area (km2)

R is tR‐hr threshold runoff (mm)

Theory of Threshold Runoff Estimation

36Ankara, Turkey30 April 20156 May 2015 HRC CARFFG 36

Options to estimate parameters of threshold runoff (R): 

(a) Flooding Flow, Qp

• Bankfull Flow (Manning’s uniform flow; uses channel cross‐section)

• Flow with given return period (statistical)

(b) Unit hydrograph response, qpR• Synthetic Unit Hydrograph (empirical)

• Geomorphologic Instantaneous Unit Hydrograph (physical properties)

Theory of Threshold Runoff Estimation

R = f(A,L, Bb, Db, Sc)

37Ankara, Turkey30 April 20156 May 2015 HRC CARFFG 37

From Threshold Runoff and Soil Moisture to Flash Flood Guidance

6 May 2015 HRC CARFFG 38

Soil Water Model Runs

FFG Uncertainty for Soil Wetness Conditions

6 May 2015 HRC CARFFG 39

Dry Conditions Wet Conditions

0 50 100 150 200 250 3000

0.002

0.004

0.006

0.008

0.01

0.012

0.014

0.016

0.018

0.02

3-hrs Actual Rainfall Volume (mm)

Lognormal

0 50 100 150 200 250 3000

0.002

0.004

0.006

0.008

0.01

0.012

0.014

0.016

0.018

0.02

3-hrs Actual Rainfall Volume (mm)

Lognormal