Implementatie LTM Light in het Nationaal Water Model

Binnen het NWM worden voor het LTM Light model de volgende stappen uitgevoerd:

1. Importeren randvoorwaarden
   1. Warmtelozingen
   2. Watertemperatuur
   3. Meteo
2. Pre-processing
   1. 1. Berekening van dauwpunttemperatuur
      2. Interpolatie en disaggregatie van de geimporteerde randvoorwaarden
      3. Toepassing van veranderings vectoren op de meteo tijdreeksen
      4. Berekenen van watertemperatuur voor lateralen m.b.v. het SOW model
      5. Klaarzetten van de modelranden voor LTMLT
3. De LTMLT berekeningen m.b.v. de Delwaq processenbibliotheek

Importeren randvoorwaarden

Voordat berekeningen uitgevoerd kunnen worden met het Delwaq model moeten eerst de randvoorwaarden worden geïmporteerd. Dit betreft de import van meteorologische tijdreeksen (ZW_LTM_ImportMeteo), de import van watertemperatuur op de modelranden (ZW_LTM _boundaries_import) en de warmtelozingen (ZW_LTM_ImportWarmtelozingen) voor een kleine 200 lozingslocaties (energiecentrales en industrieën).

ZW_LTM_ImportMeteo

De meteorologische variabelen die voor het model gebruikt worden zijn windsnelheid (m/s), luchttemperatuur (ºC), dauwpunt temperatuur (ºC), globale straling (W/m²), relatieve luchtvochtigheid (%) en bewolkingsgraad (-). Het model maakt gebruik van een tiental KNMI stations:

• Amsterdam/Schiphol (KNMI_6240)
• De Bilt (KNMI_6260)
• De Kooy (KNMI_6235)
• Eindhoven (KNMI_6370)
• Groningen/Eelde (KNMI_6280)
• Leeuwarden (KNMI_6270)
• Maastricht (KNMI_6380)
• Rotterdam (KNMI_6344)
• Twente (KNMI_6290)
• Vlissingen (KNMI_6310)

In de taak ‘ZW_LTM_ImportMeteo’ worden eventuele gaten in de tijdreeksen opgevuld door achtereenvolgens in de tijd een lineaire interpolatie, een extrapolatie (van de laatst bekende waarde) en het opvullen van gaten in de resulterende tijdreeks (met standaard waardes) uit te voeren.

• windsnelheid:                              5 m/s
• luchttemperatuur:                        12 ºC
• dauwpunt temperatuur:               10 ºC
• globale straling:                           75 W.m²
• relatieve luchtvochtigheid:           70%
• bewolkingsgraad:                         0.5

ZW_LTM _boundaries_import

Deze taak importeert de watertemperatuur tijdreeksen voor de randen Lobith, Eijsden, Overijsselse Vecht, Schelde en Noordzee. De Overijsselse Vecht en de Schelde zijn een kopie van respectievelijk Lobith en Eijsden.

Voor de Noorzee is het meetstation Hoek van Holland -9m gebruikt. Voor de scenario’s zijn dezelfde meetreeksen gebruikt, er is dus geen onderscheid tussen watertemperatuur op de model randen ten opzichte van de referentiesituatie. Ter info: het onderscheid is er wel voor de afvoeren en de meteorologische forcering.

ZW_ImportWarmtelozingen

Er zijn 177 verschillende warmtelozings locaties in het model geimplementeerd, onderverdeeld in 36 Energiecentrales en 141 industriële lozingen. Deze zijn te vinden in het bestand MaplayerFiles/Deltamodel.dbf. Zie Deltascenario-rapport (Hunink, 2015) voor een overzicht van de warmtelozingen.

Pre-processing

Op alle geïmporteerde tijdreeksen vindt achtereenvolgens een interpolatiestap (voor het opvullen van eventuele missings in de import tijdreeksen) en disaggregatiestap van dag naar uurwaarden plaats. Daarnaast worden de taken “ZW_LTM_VeranderingsVectoren_MeteoData”,  “ZW_LTM_Bereken_Dewpoint_Temperature”, “ZW_LTMLT_SOW_WAQ”  en “ZW_LTMLT_WAQ_Preprocessing” gedraaid.

ZW_LTM_VeranderingsVectoren_MeteoData

Voor de 8 scenario’s worden o.b.v. veranderingsvectoren tijdreeksen berekend voor de meteorologische variabelen relatieve luchtvochtigheid en windsnelheid (voor bewolkingsgraad wordt een constante factor van 1 opgelegd). De veranderingsvectoren zijn beschreven in het Deltascenario-rapport (Hunink, 2015) en zijn in onderstaande tabel weergegeven:

Deze zijn vertaald naar factoren (zie onderstaande tabel) voor gebruik in NWM configuratie (coefficientSetFile ZW_LTM_KNMI14_veranderingsfactoren.xml):

ZW_LTM_Bereken_Dewpoint_Temperature

Op basis van de gemeten luchttemperatuur (T.m) en de gemeten relatieve luchtvochtigheid (RH.m) wordt de dauwpunttemperatuur (T.m.dew) berekend volgens onderstaande vergelijkingen (KNMI, Handboek Waarnemingen; 4. Vochtigheid; versie maart 2001):

verzadigde_dampspanning =   A * exp(B * T.m / (C + T.m) )

actuele_dampspanning =         RH.m / 100 * verzadigde_dampspanning

T.m.dew =                               C / ( ( B / (ln(actuele_dampspanning) - ln(A)) ) -1 )

Hierbij zijn de volgende coefficienten gebruikt: A = 6.11, B = 17.505, C = 241.2. De WMO gebruikt marginaal andere coëfficiënten. nl A=6.112 . B=17.62 en C=243.12.

ZW_LTMLT_SOW_WAQ

Deze general adapter module stuurt een Delwaq model aan voor een aantal stilstaande oppervlakte wateren (SOW) die geen wateruitwisseling hebben met de omgeving maar alleen uitwisseling met de atmosfeer ondervinden. De watertemperatuur voor deze SOW’s wordt bepaald door de invloed van de meteorologische variabelen op het stilstaande water. Bij elk meteorologisch station is een SOW geplaatst, om zo per representatief gebied (gebaseerd op thyssenpolygonen rondom de meteorologische stations) de natuurlijke watertemperatuur (TW.ud.nat) voor lateralen in dat gebied te kunnen schatten. De resulterende watertemperatuur reeksen worden aan de KNMI stations gekoppeld bij de import in de FEWS database. De configuratie van het SOW model staat in Modules\WAQ_LSMLT_SOW\.

De *.inp file in de modelDir is de ´master-file´ van Delwaq (hier is * de ‘runId’ van het model, voor dit model ‘delwaqbakjes’), hierin schrijft de model adapter informatie uit FEWS weg op de plaatsen waar $-tekens staan, dit zijn bijvoorbeeld de start en eindtijd, maar ook tijdreeksen waar het model mee gaat rekenen, zoals de meteorologische tijdreeksen. Daarnaast staan er verwijzingen in naar files die gebruikt worden bij de initialisatie, zoals de restart file. De restartfile die FEWS klaar zet in de stateInput folder moet de naam krijgen van ‘runId’zoals in Delft3DWAQ.xml is gedefiniëerd; dit is belangrijk bij de naamgeving van de restart file die in de Config\ColdStateFiles\*.zip wordt neergezet. De restart file wordt door de Delft3D Pre-Adapter hernoemd en verplaatst van stateInput\*.res naar workDir\*.ini. In de *.inp file in de modelDir moet bij de ‘initial settings’ sectie (Eighth input block) verwezen worden naar deze *.ini file.

In de work folder staan alleen statische files, de dynamische files staan in de workDir, deze worden gekopiëerd vanuit de modelDir door de ‘Delft3D Pre-Adapter’ of aangemaakt door het ‘SOBEK coupling program’ (één van de executables in de General Adapter).

In de Delft3DWAQ.xml file staan ook de individuele tijdreeksen (parameter-locatie combinatie) gedefinieerd die door FEWS geïmporteerd dienen te worden uit de *.his file aan het einde van de modelrun; de tijdreeksen dienen overeen te komen met de tijdreeksen zoals opgegeven in de importTimeseries sectie van de General Adapter.

ZW_LTMLT_WAQ_Preprocessing

Deze taak voert data voorbewerkings taken uit voor het LTM Light model. Dit omvat het aanmaken van tijdreeksen voor alle model-randen en -lateralen. Het LTM Light kent meer dan 9000 randen die gegroeperd zijn in de volgende 20 typen randen, met uitzondering van verdamping moet voor deze randen de watertemperatuur worden gespecificeerd:

• Rijn  
• Maas               
• Schelde
• Vecht (Overijssel)           
• Noordzee
• Lateral grondwater
• Lat_KNMIstation (lateralen binnen de regio)
• Evaporation        
• Neerslag
• Boundary Flow (kleine randen in de regio)      
• Lateral inflow (lateralen uit regionaal model, niet toegekend aan regio)     

Omdat het LTMLT bestaat uit een samenstelling van deelmodellen van waterbeheerders worden bij het samenstellen van het landelijke model de originele randen (waarvoor vrijwel nooit temperaturen zijn gedefineerd in de regionale modellen) toegekend aan één van bovengenoemde rand-typen. Voor al de specifieke randen en de rand-typen wordt de zowel de totale watertemperatuur (TotTemp in Delwaq; TW.ud in FEWS) als de natuurlijke watertemperatuur (NatTemp in Delwaq; TW.ud.nat in FEWS) bepaald, dat wil zeggen berekend of gekopiëerd uit andere bestaande tijdreeksen. In onderstaande tabel staat de herkomst van de diverse tijdreeksen.

De resulterende tijdreeksen worden door de model adapter weggeschreven in de *.inp file.

LTMLT berekeningen

De taak ZW_LTMLT_WAQ roept het Landelijk Temperatuur Model aan. De resultaten van waterbewegings module van het LSMLT (deze moet vooraf aan het LTMLT model gedraaid hebben) worden vanuit de FEWS database geëxporteerd en klaargezet voor LTMLT. Dit omvat een viertal dynamische *.his bestanden, zoals beschreven in sectie "Implementatie LSM". Vanuit FEWS worden de waterbewegings tijdreeksen als mapstack geëxporteerd. Met behulp van een conversie programma worden deze vertaald naar *.his bestanden (Figuur 1), zie voor de beschrijving van het conversie programma sectie "Implementatie LSM".

Voor de conversie naar *.his bestanden moeten 4 argumenten meegegeven worden:

1. TOHIS
2. Naam van aan te maken HIS-bestand
3. Locatie folder waar de invoer bestande (*.asc + mapstacks.xml) klaar staan.
4. Ignore (vierde argument wordt niet gebruikt)

Figuur 1 De generalAdapter run bevat een activity voor de conversie van mapstacks naar *.his bestanden.

Naast de vier dynamische *.his bestanden is ook een vijfde bestand ‘reachdimSTATIC.his’ nodig als invoer voor LTMLT. Deze bevat statische gegevens (dimensies van de reaches) en staat klaar in de \Modules\WAQ_LSMLT\CASE\WAQ_LSMLT\Modeldir\ folder (reachdimSTATIC.his; dit is een kopie van het reachdim.his bestand dat door de waterbewegings module wordt aangemaakt).

Bij de HIS files horen zogenaamde *.hia bestanden, welke de naamgeving van de locaties in de bijbehorende *.his bestanden bevat. De *.hia bestanden bevatten een string ‘T0=XXXX.XX.XX XX:XX:XX’ die bij het aanroepen van het model wordt vervangen door de juiste tijd en datum.

Dit gebeurt met behulp van een extractto.tcl executable (executeActivity ‘Replace T0 by the correct value’). Deze executable vervangt ook de tags in het delwaq.inp bestand die de tijdshuishouding afhandelen:

• TT= XXXX.XX.XX XX:XX:XX (referentie datum-tijd)
• SSSS/SS/SS-SS:SS:SS (model start datum-tijd)
• EEEE/EE/EE-EE:EE:EE (model eind datum-tijd)

Belangrijk: De start en eindtijd wordt uit een van de mapstacks.xml bestanden gelezen:

“set infile [open "../input/reachvol.his.mapstacks.xml"]”

Naast de waterbewegings invoer tijdreeksen worden meteorologische tijdreeksen en watertemperatuur tijdreeksen naar het model geëxporteerd. Tenslotte wordt het LTM Light watertemperatuur aangeroepen en worden gesimuleerde watertemperatuur tijdreeksen (natuurlijke en anthropogene bijdrage alsook de resterende warmtelozingscapaciteit) na afloop van de simulatie geimporteerd in de FEWS database voor een aantal locaties, waaronder monitoringsstations, drinkwater-innamelocaties, industriele onttrekkingslocaties en energiecentrales.