TY - THES A1 - Khosh Bin Ghomash, Shahin T1 - Significance of storm spatiotemporal variability and movement in flood hydrodynamic modelling T1 - Bedeutung der räumlich-zeitlichen Variabilität und Bewegung von Gewittern für die hydrodynamische Modellierung von Hochwasser N2 - This dissertation aims to explore the impact of various storm properties on computational flood modelling and to propose a method for integrating them into flood risk assessment. It focuses on three key areas: Firstly, it examines within-storm variability, investigating how variations in storm intensity, duration, and spatial distribution affect runoff dynamics. Through a systematic theoretical approach, the study generates synthetic rainfall signals with different hyetograph variabilities and applies them to a hydrodynamic model. The results highlight the significant influence of storm spatiotemporal variability on runoff response, affecting peak discharge, hydrograph shapes, and flooded areas. Temporal variability emerges as particularly dominant, overshadowing spatial variability and other storm properties such as return period and volume. The study emphasizes the spatial dependency of these effects within the drainage network. Secondly, it investigates the role of storm movement in flood modelling, recognizing its potential to alter runoff dynamics and inundation patterns. By generating synthetic rain hyetographs traversing the catchment area at varying velocities and directions, the study shows that storm movement significantly impacts runoff response and flood extents. Higher storm velocities lead to more pronounced peaks and faster runoff onsets, resulting in larger flooded areas. The direction of storm movement plays a crucial role, with storms aligning with the average stream direction causing the highest peaks and flooded areas. The magnitude of this influence varies depending on the location within the catchment. Finally, the dissertation introduces a dynamic spatiotemporal rainfall model aimed at preserving storm event properties. Using an event-based approach, dynamic precipitation events are identified and regenerated, ensuring the conservation of storm spatiotemporal variability and movement characteristics. This facilitates the generation of more physically plausible and spatiotemporally coherent precipitation time series. The model prioritizes user accessibility, offering a practical tool for integrating storm properties into flood computation modelling and risk analysis frameworks. By addressing these aspects of storm behaviour, the dissertation contributes to enhancing the accuracy and effectiveness of flood modelling, thereby improving flood risk mitigation efforts. N2 - Ziel dieser Dissertation ist es, die Auswirkungen verschiedener Unwettereigenschaften auf die computergestützte Hochwassermodellierung zu untersuchen und eine Methode vorzuschlagen, mit der diese in die Hochwasserrisikobewertung integriert werden können. Sie konzentriert sich auf drei Schlüsselbereiche: Erstens wird die Variabilität innerhalb eines Gewitters untersucht, um herauszufinden, wie sich Variationen der Gewitterintensität, der Dauer und der räumlichen Verteilung auf die Abflussdynamik auswirken. Mit Hilfe eines systematischen theoretischen Ansatzes werden in der Studie synthetische Niederschlagssignale mit unterschiedlichen hyetographischen Variabilitäten erzeugt und auf ein hydrodynamisches Modell angewendet. Die Ergebnisse verdeutlichen den signifikanten Einfluss der räumlich-zeitlichen Variabilität von Gewittern auf die Abflussreaktion und beeinflussen den Spitzenabfluss, die Form der Ganglinie und die überfluteten Gebiete. Die zeitliche Variabilität erweist sich als besonders dominant und überschattet die räumliche Variabilität und andere Gewittereigenschaften wie die Wiederkehrperiode und das Volumen. Die Studie unterstreicht die räumliche Abhängigkeit dieser Effekte innerhalb des Entwässerungsnetzes. Zweitens wird die Rolle der Gewitterbewegung bei der Hochwassermodellierung untersucht, da sie die Abflussdynamik und Überschwemmungsmuster verändern kann. Durch die Erzeugung synthetischer Regenhyetogramme, die das Einzugsgebiet mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten und Richtungen durchqueren, zeigt die Studie, dass die Bewegung des Sturms die Abflussreaktion und das Ausmaß der Überschwemmung erheblich beeinflusst. Höhere Sturmgeschwindigkeiten führen zu ausgeprägteren Spitzenwerten und schnelleren Abflüssen, was zu größeren Überschwemmungsgebieten führt. Die Richtung der Sturmbewegung spielt eine entscheidende Rolle, wobei Stürme, die sich an der durchschnittlichen Fließrichtung orientieren, die höchsten Spitzenwerte und überfluteten Gebiete verursachen. Das Ausmaß dieses Einflusses variiert je nach Lage im Einzugsgebiet. Schließlich wird in der Dissertation ein dynamisches raum-zeitliches Niederschlagsmodell vorgestellt, das die Eigenschaften von Sturmereignissen erhalten soll. Mit Hilfe eines ereignisbasierten Ansatzes werden dynamische Niederschlagsereignisse identifiziert und regeneriert, um die Erhaltung der raum-zeitlichen Variabilität und der Bewegungsmerkmale von Gewittern zu gewährleisten. Dies erleichtert die Erstellung physikalisch plausibler und räumlich kohärenter Niederschlagszeitreihen. Das Modell stellt die Zugänglichkeit für den Benutzer in den Vordergrund und bietet ein praktisches Werkzeug für die Integration von Gewittereigenschaften in die Modellierung von Hochwasserberechnungen und Risikoanalysen. Durch die Berücksichtigung dieser Aspekte des Sturmverhaltens trägt die Dissertation dazu bei, die Genauigkeit und Effektivität der Hochwassermodellierung zu erhöhen und damit die Bemühungen zur Minderung des Hochwasserrisikos zu verbessern. KW - Flash floods KW - Hydrodynamic modellin KW - Storm movement KW - Storm spatiotemporal variability KW - Rainfall/runoff KW - Sturzfluten KW - Hydrodynamische Modellierung KW - Sturmvariabilität KW - Sturmbewegung KW - Hochwasservorhersage KW - Mathematische Modellierung KW - Risikoanalyse KW - Gewitter Y1 - 2024 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-67245 ER - TY - THES A1 - Klein, Marten T1 - Inertial wave attractors, resonances, and wave excitation by libration : direct numerical simulations and theory T1 - Trägheitswellenattraktoren, Resonanzen und deren Anregung durch Libration : direkte numerische Simulationen und Theorie N2 - Resonance phenomena are ubiquitous in Nature. Resonance means that a system can accumulate large amounts of kinetic energy. In rotating flows inertial waves provide a mechanism for resonance by redistributing momentum, kinetic energy and helicity. In order to investigate inertial waves a Taylor-Couette system was investigated which consists of a homogeneous liquid confined between two coaxial cylinders and two rigid lids. The inner cylinder is slightly conical (frustum) to break the vertical mirror symmetry. Inertial waves were excited by two different forcing configurations: the frustum in libration and the lids together with the outer cylinder in libration. Libration means that the rotation rate of the wall is modulated with a fixed amplitude and frequency of the order of the mean rotation rate. Direct numerical simulations (DNS) were conducted with a numerical solver in terrain-following coordinates. DNS results reveal that inertial wave excitation is localised at the edges of the confinement, which is in very good agreement with recent laboratory measurements of Seelig (2014, PhD thesis, BTU Cottbus - Senftenberg). A model of the wave excitation mechanism was developed with the aid of boundary layer theory. The model suggests that a difference in the boundary layer mass flux (Ekman flux) excites the waves by driving an excess Ekman pumping velocity at the edges. The DNS results exhibit this flux difference, and the simulated kinetic energy spectra of the waves exhibit the frequency dependency predicted by the model. However, DNS results also exhibit helical vortices at the edges which are not part of the model. Conservation properties suggest that these vortices are merely a compensating phenomenon which tends to stabilise the boundary layer flow. The details of this flow, however, appear less important for the wave excitation. Response spectra of the kinetic energy, the dissipation rate, the helicity, and the quality factor were computed in order to assess resonance conditions. Simulated resonance peaks have a width of only 1/20th of the mean rotation rate. At these peaks, the kinetic energy was found to increase by a factor 10-50 even though viscous forces were still rather large (Ekman number of the order 1/100,000 with the length scale given by the mean radial gap width). The flow patterns found at those resonances were investigated and found to be in very good agreement with the spatial patterns obtained by laboratory measurements and geometric ray tracing. The DNS results suggest that there are two types of resonance in rotating flows: modes and wave attractors. In contrast to a mode, a wave attractor exhibits net focusing of wave energy and occupies a finite frequency band. DNS results show that the wave attractor resonance frequency adjusts within the frequency band which suggests that wave attractor resonances complement 'classical' mode resonances and may, thus, be relevant in various applications. N2 - In der Natur sind Resonanzphänomene allgegenwärtig. Resonanz bedeutet, dass ein System eine große Menge an kinetischer Energie akkumulieren kann. In rotierenden Strömungen stellen Trägheitswellen einen Resonanzmechanismus bereit, indem sie den Impuls, die kinetische Energie und die Helizität umverteilen. Um Trägheitswellen zu untersuchen, wurde ein Taylor-Couette-System betrachtet. Dieses besteht aus zwei koaxialen Zylindern, zwei Deckeln und einer darin eingeschlossenen Flüssigkeit. Der innere Zylinder ist konisch geformt (Kegelstumpf), um die vertikale Spiegelsymmetrie zu brechen. Zwei Konfigurationen wurden zur Wellenanregung genutzt: Die Libration des Kegelstumpfs und die Libration der Deckel zusammen mit dem Außenzylinder. Libration bedeutet, dass die Drehzahl der Wand mit einer festen Amplitude und Frequenz moduliert wird. Die DNS-Ergebnisse zeigen, dass die Wellenanregung an den Kanten des Behälters lokalisiert ist. Dies deckt sich mit den Messergebnissen von Seelig (2014, Doktorarbeit, BTU Cottbus - Senftenberg). Mit Hilfe der Grenzschichttheorie wurde ein Modell der Wellenanregung entwickelt. Das Modell legt nahe, dass eine Differenz des Massenstroms in der Grenzschicht (Ekman-Fluss) maßgeblich für die Wellenanregung ist, indem das Ekman-Pumpen an den Kanten verstärkt wird. Die DNS-Ergebnisse weisen diese Massenstromdifferenz auf und die Frequenzabhängigkeit der kinetischen Energie der Wellen deckt sich mit der Vorhersage des Modells. Die DNS-Ergebnisse weisen zudem helikale Wirbel an den Kanten des Taylor-Couette-Systems auf. Die vorgelegten Untersuchungsergebnisse legen jedoch nahe, dass diese Wirbel ein kompensierendes Phänomen darstellen um die Grenzschicht nahe den Kanten zu stabilisieren. Die Wellenanregung selbst scheint nur unwesentlich von den Details dieser Wirbel abzuhängen. Um Resonanzen zu untersuchen, wurden Spektren der Energie, der Dissipationsrate, der Helizität und des Gütefaktors berechnet. Die Resonanzen in den DNS-Ergebnissen haben eine minimale Breite von 1/20 der Rotationsrate und sind durch eine Zunahme der Energie um einen Faktor 10-50 gekennzeichnet, trotz recht großer Viskosität (Ekman-Zahl von der Ordnung 1/100.000, gebildet mit der mittleren Spaltbreite als Längenskala). Die simulierten Strömungsmuster stimmen sehr gut mit den räumlichen Mustern der Referenzmessungen im Labor und der Strahlverfolgung überein. Die DNS-Ergebnisse legen nahe, dass in rotierenden Strömungen zwei Arten von Resonanz existieren: Moden und Wellenattraktoren. Im Gegensatz zu einer Mode existiert ein Wellenattraktor in einem Frequenzband. Die vorgelegten DNS-Ergebnisse zeigen, dass sich die Resonanzfrequenz in diesem Band variabel einstellen kann, wodurch Wellenattraktor-Resonanzen, ergänzend zu den "klassischen" Moden-Resonanzen, für viele Anwendungen relevant sein können. KW - Direct Numerical Simulations KW - Rotating flows KW - Resonance KW - Inertial waves KW - Boundary layer theory KW - Direkte Numerische Simulationen KW - Rotierende Strömungen KW - Resonanz KW - Trägheitswellen KW - Grenzschichttheorie KW - Direkte numerische Simulation KW - Rotationsströmung KW - Trägheitswelle KW - Taylor-Couette-Strömung Y1 - 2016 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-41712 ER - TY - THES A1 - Niebisch, Michael T1 - Generierung von Niederschlagszeitreihen für Niederschlagsstationen in der Niederlausitz N2 - Die zeitliche Variabilität des Niederschlages auf Skalen von Jahren bis hin zu Ereignissen ist von wesentlicher Bedeutung für die Untersuchung hydrologischer Prozesse. Langjährige Reihen von Niederschlagsdaten mit einer hohen zeitlichen Auflösung stehen nur selten zur Verfügung. Eine Möglichkeit, die Einflüsse der Variabilität von Niederschlägen auf die hydrologischen Prozesse dennoch zu quantifizieren, ist es, stochastisch generierte Reihen als Eingangsdaten für hydrologische Modelle zu nutzen. In dieser Arbeit wurde ein stochastischer Niederschlagsgenerator der aus zwei Stufen besteht, entwickelt. Zunächst erfolgt die Generierung von Niederschlagsereignissen durch ein Poisson-Rectangular-Pulse (PRP) Modell, anschließend werden diese Ereignisse durch eine mikrokanonische multiplikative Zufallskaskade disaggregiert. Die Methodik wurde in die frei zugängliche Software R implementiert. KW - Niederschlagsgenerator KW - Niederschlag KW - Disaggregierung KW - Niederlausitz KW - Disaggregation KW - Precipitation generator KW - Niederlausitz Y1 - 2016 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-41565 ER - TY - THES A1 - Krüger, Simone T1 - The impact of discharge regulation on microbial sediment respiration at a land-water-interface of the river Spree N2 - Flooding of dry sediments is known to trigger pulses of microbial respiration at land-water-interfaces. The regulation of discharge variability is therefore proposed to affect the respiration balance of these sites. In this study, I assessed the impact of discharge regulation on microbial respiration associated to surface sediments at a land-water-interface of the river Spree. I developed a theoretical model, based on empirical respiration data, to estimate the two-month total respiration at the study site for three discharge scenarios. The real scenario represented the actual discharge at the study site, which was regulated by the Spremberg reservoir dam. In the unregulated scenario, the regulating effect by the dam was excluded. In the extremely regulated scenario, a hypothetical constant discharge was modeled. For each scenario, the daily discharge, the corresponding flooded areas, the extent of dry or rewetted areas, and the durations of flooding or rewetting by rain at the study site were determined. Microbial respiration rates associated to surface sediments were measured with a respirometer under flooded, dry, and rewetted conditions. The model applied these rates to the respective flooded, dry or rewetted areas of the study site, to calculate the daily areal respiration. In all sediments from the land-water-interface, a distinctive respiration pulse was measured on the first day of flooding, and higher respiration rates under flooded than under dry conditions. The discharge of the unregulated scenario was characterized by a higher variability and larger flow volume than the regulated real scenario. Due to the higher total discharge, larger areas were flooded in the unregulated scenario, the total respiration from sediments under long-term flooded conditions was therefore higher. Moreover, the daily extent of flooded areas fluctuated more strongly, hence more short-term respiration pulses upon flooding were triggered than in the real regulated scenario. The calculated total two-month respiration of the unregulated scenario exceeded that of the regulated real scenario by almost 14 %. These results suggest that discharge regulation can have a considerable negative impact on sediment-associated microbial respiration at land-water-interfaces. KW - Respiration KW - Land-water-interface KW - Spree KW - Atmung KW - Bodenatmung KW - Flussufer Y1 - 2015 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-40496 ER -